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朗贝因石展现出作为三维量子自旋液体的天赋

2024-08-24 10:38:51 生活来源：

导读在一种钾镁石家族成员附近发现了一种3D量子自旋液体。这种材料的特殊晶体结构和由此产生的磁相互作用引发了一种不寻常的行为，这种行为可以...

在一种钾镁石家族成员附近发现了一种3D量子自旋液体。这种材料的特殊晶体结构和由此产生的磁相互作用引发了一种不寻常的行为，这种行为可以追溯到液体岛。一个国际团队通过在ISIS中子源进行实验并对镍钾镁石样品进行理论建模，发现了这一现象。

当晶格中的自旋无法对齐以达到最低能量时，这被称为磁挫折。如果这种挫折变得足够大，自旋将继续以无序的方式波动，即使温度接近零度并且材料表现为量子自旋液体。

量子自旋液体(QSL)具有显著的特性，包括拓扑保护现象，可能对未来特别稳定的量子比特有用。最初，量子自旋液体主要在二维结构中进行研究，但这种现象也可以在三维结构中发生，尽管发生频率要低得多。

寻找挫折

目前，一项国际合作已经在一种具有3D结构的新料中展示了这种行为：碳硅镁石是一种硫酸盐矿物，在自然界中很少见;在总和公式中替换一种或两种元素会产生属于此类材料的变体。

为进行这项研究，研究人员制造了分子式为K2Ni2(SO4)3的人工钾镁矾晶体。磁性元素镍在这里起着关键作用：镍离子形成两个相互纠缠的所谓三叶晶格。

这会产生所需的磁挫败效应，当施加外部磁场时，这种效应会进一步增强：镍离子的磁矩不能全部以能量有利的方式排列，而是会波动并形成量子自旋液体。

镍离子形成两个相互纠缠的所谓三叶晶格。这产生了所需的磁阻效应，当施加外部磁场时，磁阻效应会进一步增强。图片来源：HZB

中子数据与理论：近乎完美的契合

由洛桑联邦理工学院的IvicaŽivkovič领导的团队测量了位于牛津的英国中子源ISIS的磁波动。样品不仅在极低温度下，甚至在“微温”的2开尔文下，其行为都类似于量子自旋液体。

由HZB理论家JohannesReuther领导的团队能够使用多种理论方法来解释测量数据。“我们的理论相图甚至识别出在强烈受挫的四三联晶格中心的&luo;流动性岛&ruo;，”这项研究的第一作者、Reuther团队的博士后研究员MatiasGonzalez说道，他进行了蒙特卡罗模拟。

博士生VincentNoculak使用Reuther几年前开发的基于费曼图的方法(伪费米子函数重正化群，PFFRG)计算了自旋之间的相互作用。测量数据与理论结果之间的一致性出奇地好。“尽管它的相互作用极其复杂，但我们可以很好地重现这个系统，”Reuther说。

朗贝尼特中的QSL候选者

朗拜因石是一类庞大且尚未被探索的材料。这项研究表明，寻找量子行为在这里是值得的。由HZB物理学家贝拉·莱克(BellaLake)领导的团队已经合成了这类材料的新代表，它们也可以被视为3D量子自旋液体。

“这仍然是纯粹的基础科学，”约翰内斯·鲁瑟强调说，“但随着人们对新型量子材料的兴趣日益浓厚，朗贝因石材料在量子信息应用方面可能会变得有趣。”

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