永不“冻结”的量子自旋液体，被首次观测到了

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《首次观测到近50年前预测的奇异物质状态》，头图来自：pixabay

一

当我们在谈论一种物质的状态时，指的是它在微观水平上的一些结构和性质，例如它的分子结构的刚性，或者它的电子在原子核上的排列方式等等。除了常规的固态、液态和气态之外，还有许多物质状态有待我们的发现。

1973年，物理学家菲利普·安德森（Philip Warren Anderson）在寻找一种可用于解释高温超导体的微观模型时，提出了一种新的、特殊的物质状态的存在，这种物质状态被称为量子自旋液体（quantum spin liquid）。

这是一种备受追捧的奇特物质状态，它所具有的特殊性质能够为包括高温超导和量子计算机在内的量子技术带来难以估量的前景。因此，自安德森之后，寻找这种物质状态就成了相关领域的一个重要目标。然而，在此之前没有任何研究能真正证实量子自旋液体的存在。

最近，由一个国际物理学家团队所作的新研究表明，他们终于通过实验证明了这种物质状态的存在，开发出了一个量子自旋液体的微观模型。新的研究结果被发表在了近期的《科学》杂志上。

二

量子自旋液体并非我们想象中的液体，它与水等日常常见的液体没有任何关系。相反，物理学家所在意的与它有关的一切是，它是一种永不“冻结”的磁体，以及它的电子自旋方式。

对于常规磁体来说，当温度下降到某一温度时，电子就会稳定下来，形成具有磁性的固体块。但对于量子自旋液体来说，温度的降低并不会使电子稳定，也不会形成固体，而是这些电子会像液体一样，在纠缠的量子态中不断地变化和波动。

在新的研究中，物理学家用一个可编程的量子模拟器，在原子水平上对这种物质状态进行了模拟。利用这种模拟器，研究人员可以创建出如方形、蜂巢形或三角形等晶格形状，从而设计出超冷原子之间的不同交互和纠缠。

研究人员进行这项模拟的基本想法是，用量子模拟器来重现出现在凝聚态系统中的相同的微观物理。在这个模拟器中，他们用几何形状来表示晶格中的219个铷原子的方向，然后随心所欲地对它们进行操纵，比如这些原子可以以任意距离分开，可以改变激光的频率，可以以在之前的相关研究中无法做到的方式去改变一些自然参数。

在常规磁体中，电子自旋的指向是以某种规则的模式指向上或向下的。例如，在常出现于生活中的冰箱磁铁中，自旋都指向同一个方向，这是因为自旋通常是以方格模式运作的，它们可以配对，从而以一定的顺序指向相同的方向或交替的方向。

但是量子自旋液体就没有这种磁性顺序。简单来说，它还存在第三种自旋，于是将方格模式变成了三角形模式。对于成对的电子来说，它们总能在一个或另一个方向上稳定下来；但在三角形模式中，第三个自旋始终会是那个多余的电子，这就形成了所谓的“受抑（frustrated）”磁体——电子自旋无法在单一方向上稳定。换句话说，它们在同一时间以一定的概率处于不同的构型——这正是量子叠加的基础。

研究人员用模拟器创造了他们自己的受抑晶格模式。原子在这样的模式下相互作用和纠缠。在整个结构相互纠缠之后，研究人员就能够测量和分析连接这些原子的弦，这些弦被称为拓扑弦，探测到这种拓扑弦的存在则意味着，量子关联正在发生，标志着物质的量子自旋液态的出现。

在新研究中，当将铷原子冷却到接近绝对零度的温度时，研究人员通过所拍摄的原子快照看到了预期的二聚体组态，他们观察到即使在如此低的温度下，铷原子的电子也以恒定的流动状态存在：它们变成了量子自旋液体。

三

这是一种新的、从未被人观测到的物质状态。现在，物理学家可以真正地探索这种奇特的状态，并对它进行操纵以了解它的属性。这对物理学家来说是一个美妙的时刻。它的出现或许将对量子计算机的工作方式产生影响。

量子自旋液体具有非常奇异的特性，它的量子态具有极高的纠缠度。对于一个量子系统来说，纠缠度越高，它越稳健。因此，量子自旋液体或许会是创造出更强大的量子比特——拓扑量子比特的关键所在。

研究人员表示，新的结果展示了创建拓扑量子比特的一些初级步骤。接下来，他们将会把研究焦点转向如何创造大量这样的拓扑量子比特，并思考如何真正地对其进行编码和操纵。

此外，量子自旋液体的终极应用目标将是室温超导体。然而，它是否可以帮助解决室温超导，新的实验结果并不直接回答这个问题。但研究人员希望后续的研究将可以帮助我们更好地理解高温超导的起源。有待探索的问题还有很多。

参考来源：

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/12/harvard-led-team-takes-step-in-quest-for-quantum-computing/?utm_medium=Feed&utm_source=Syndication

https://gizmodo.com/physicists-finally-observe-an-exotic-state-of-matter-fi-1848145197

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨