三管齐下的方法辨别量子自旋液体的品质

1973 年，物理学家菲尔·安德森 (Phil Anderson) 假设某些三角晶格上存在量子自旋液体 (QSL) 态，但他缺乏更深入研究的工具。五十年后，由总部位于橡树岭国家实验室的量子科学中心相关研究人员领导的团队证实了具有这种结构的新材料 KYbSe2 中存在 QSL 行为。

QSL 是一种不寻常的物质状态，由纠缠或内在链接的磁性原子(称为自旋)之间的相互作用控制，擅长稳定 KYbSe2 和其他铜铁矿中的量子力学活动。这些材料因其层状三角形晶格和有望有助于构建高质量 超导体 和 量子计算 组件的特性而备受推崇。

这篇 发表 在 《自然·物理学》杂志上的论文由橡树岭国家实验室的研究人员介绍;劳伦斯伯克利国家实验室;洛斯阿拉莫斯国家实验室;SLAC国家加速器实验室;田纳西大学诺克斯维尔分校;密苏里大学;明尼苏达大学;斯坦福大学; 和罗萨里奥物理研究所。

QSC 成员、主要作者、洛斯阿拉莫斯大学科学家 Allen Scheie 表示：“研究人员研究了各种材料的三角晶格，以寻找 QSL 行为。” “它的一个优点是我们可以轻松地更换原子来改变材料的特性而不改变其结构，这从科学的角度来看非常理想。”

通过结合理论、实验和计算技术，研究小组观察到了 QSL 的多个特征：量子纠缠、奇异的准粒子和交换相互作用的正确平衡，这些平衡控制着自旋如何影响其邻居。尽管识别这些特征的努力历来受到物理实验的限制的阻碍，但现代中子散射仪器可以在原子水平上对复杂材料进行精确测量。

通过使用 ORNL 散裂中子源(DOE 科学办公室用户设施)的冷中子斩波谱仪检查 KYbSe2 的自旋动力学，并将结果与​​可信的理论模型进行比较，研究人员发现证据表明该材料接近量子临界点，在该临界点QSL特色蓬勃发展。然后，他们使用 SNS 的宽角范围斩波光谱仪分析了其单离子磁态。

所讨论的证据是单缠结、二缠结和量子费希尔信息，这些信息在 之前 专注于检查一维自旋链或材料内单条自旋线的QSC 研究中发挥了关键作用。KYbSe2 是一个 2D 系统，这种特性使这些工作变得更加复杂。

“我们正在采用一种协同设计方法，该方法已被硬连线到 QSC 中，”UTK 物理和材料科学与工程教授艾伦·坦南特 (Alan Tennant) 说，他领导了 QSC 的量子磁体项目。“中心内的理论家正在计算他们以前无法计算的东西，理论和实验之间的重叠使得 QSL 研究取得了突破。”

这项研究符合 QSC 的优先事项，其中包括将基础研究与量子电子学、量子磁体以及其他当前和未来的量子设备联系起来。

“更好地了解 QSL 对于下一代技术的开发确实具有重要意义，”Tennant 说。“这个领域仍处于基础研究状态，但我们现在可以确定可以修改哪些材料，从而有可能从头开始制造小型设备。”

尽管 KYbSe2 不是真正的 QSL，但约 85% 的磁性在低温下波动的事实意味着它有潜力成为一种。研究人员预计，对其结构进行轻微改变或暴露于外部压力可能会帮助其达到 100%。

QSC 实验学家和计算科学家正在计划针对铜铁矿材料进行并行研究和模拟，但研究人员的发现建立了一个前所未有的协议，也可以应用于研究其他系统。通过简化对 QSL 候选药物的循证评估，他们的目标是加速寻找真正的 QSL。

“这种材料的重要之处在于，我们找到了一种在地图上定位自己的方法，可以说，并展示了我们已经做对的事情，”谢伊说。“我们非常确定这个化学空间中的某个地方存在完整的 QSL，现在我们知道如何找到它。”

这项工作得到了、QSC、国家科学技术研究委员会和西蒙斯基金会的支持。