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压力可能是制造自旋液体的关键吗?

在两颗钻石之间放一个小型磁性晶体,然后缓慢地挤压它们,会得到什么?

磁性材料样品在压力作用下进入了自旋液体状态。

在两颗钻石之间放一个小型磁性晶体,然后缓慢地挤压它们,会得到什么?答案是:磁性液体。这似乎有悖直觉——通常情况下,液体在压力作用下会变成固体。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(ANL)先进光子源(APS)的研究人员发现的反常现象,有望为科学家们提供高温超导和量子运算的新见解。

尽管超导材料的研究与应用已经有几十年历史,但高温超导体的确切机制仍然是一个量子力学谜题。全面了解高温超导体的工作机制,对于电网的“超导节能改造”具有重要意义。物理学家Daniel Haskel说:“量子自旋液体是自旋态的叠加,既有波动,也有纠缠。如果我们能创造出具有量子叠加效果的自旋量子液体,就能衍生出量子计算机的基本构件,量子比特。”

普林斯顿大学研究人员Phil Anderson在1987年提出,将材料置于量子自旋液体状态,有可能会导致超温超导现象。材料中每个原子的电子自旋是决定性因素。在某些条件下,电子会被推入“受挫态”,无法排列成有序的模式。为了减弱“受挫态”,电子自旋方向会随时间产生波动,旨在短时间内与相邻自旋态保持一致。有可能正是这种波动助力了高温超导所需的电子对的形成。

压力为电子自旋分离和“磁受挫态”驱动提供了“优化解”。Haskel谨慎地表示,他的团队在《物理评论快报》杂志中发布的研究成果,并未最终证实自旋液态的量子本质。但他们认为,通过施加缓慢而稳定的压力,部分磁性材料确实可以进入类液体状态——电子自旋变得无序,磁性消失,但原子的晶体排列得以保留。Haskel说,如果这是一种量子自旋液体,那么这种方法将具有广泛意义。

Haskel等设置了两个钻石砧,然后在它们之间插入了磁性材料锶-铱合金,接着缓慢地推动钻石砧。

研究人员Gilberto Fabbris说:“我们的想法是,施加压力可以缩短原子间距。我们缓慢地、持续地做这个工作,然后在压力上升时测定样品的性质。”最终,当压力达到接近20万个大气压时,磁性消失了,电子自旋在短距离内保持了相关性。

Haskel解释说:“创建自旋液体状态的关键在于保持晶体原子排列的秩序和对称。随机无序的原子位置将会导致不同的磁状态。”

Haskel团队已经实现了自旋液态,那么下一步是什么?未来的实验将涉及探索自旋动力学的本质和自旋液态更直接的关联。

Haskel还提到了APS的升级计划。这将是一个庞大的项目,计划实施后,仪器的亮度将提高近千倍。这将使物质状态的研究更加深入。他说:“在量子力学领域,或许想象力才是发现未知量子力学效应的钥匙。”

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