美实验验证第三种基本磁性状态为量子自旋液

    自然界有两种基本的磁性状态,磁性和反磁性,所有天然物质具有不同程度的反磁性。美国麻省理工大学通过实验验证了第三种基本磁性状态——量子自旋液(QSL)。物质本身是固态晶体,而其磁性却表现出液态行为:单个粒子的磁性方向处于不断波动状态,就像液体分子那样不断运动。李杨(音译)说:“我们证明了第三种基本磁性状态的存在。”李杨解释说,物质内部的磁性方向并不固定,这叫做磁运动。

  据物理学家组织网近日报道,美国麻省理工大学通过实验验证了第三种基本磁性状态——量子自旋液(QSL),这也与早期的理论预测相符。相关论文发表在最近出版的《自然》杂志上。

  自然界有两种基本的磁性状态,磁性和反磁性。磁性如条形磁铁或指南针中表现的那样,反磁性是指金属或合金内部离子的磁场彼此抵消,合磁矩为零,但受到外加磁场作用时,由于电子轨道运动的变化,会与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩,从而对磁场产生微弱斥力。所有天然物质具有不同程度的反磁性。

  第三种基本磁性状态是量子自旋液。物质本身是固态晶体,而其磁性却表现出液态行为:单个粒子的磁性方向处于不断波动状态,就像液体分子那样不断运动。论文高级作者、麻省理工大学物理学教授李杨(音译)说:“我们证明了第三种基本磁性状态的存在。”

  李杨解释说,物质内部的磁性方向并不固定,这叫做磁运动。但它们之间有很强的相互作用,由于量子效应它们不会固定在一个地方。诺贝尔物理学奖得主菲利浦·安德森在1987年首次提出了这一概念,称这种状态可能与高温超导有关。“自那时起,物理学家们就一直想制造出这种状态,只是到了最近几年,我们才有所进展。”

  研究小组造出的这种物质是一种矿物质结晶,叫做赫伯特斜硫砷银。李杨和同事去年首次造出了一块该物质的纯晶体,长7毫米,重0.2克,生长过程耗时10个月。

  此外,他们还获得了一项重大发现:破碎化的激发态。李杨说,虽然一些理论物理学家对此也曾作过预言,但一直以来备受争议。大部分物质的量子态是离散的,其变化通过整体反应出来;而这种QSL物质显出了破碎的量子态。他们发现,事实上这种激发态,称为自旋子,它们形成了统一体。这种现象还是首次观察到。

  他们用国家标准技术研究院的中子谱仪,通过中子散射技术测量了这种状态,发现了“这种破碎化的最有力证据。”李杨说,“这是对自旋液的一项基本理论预测,我们首次清晰而详细地看到了这一现象。”

  李杨还指出,要将这一“非常基础的研究”转化为实际应用可能还要很长时间,但该研究有望带来数据存储或通讯方面的进步,或许还能用来解释“远距离量子纠缠”现象,即两个相隔遥远的粒子能瞬间影响对方的状态。该发现还将影响高温超导研究,最终可能推动该领域发展。
 

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