[科普中国]-“量子自旋液体”被证明真实存在，将推动量子计算机发展

一个国际研究团队在真实材料中发现了一种新的神秘物质状态的存在证据。科学家40年前首次预言了这种名叫“量子自旋液体”（Quantumspin liquid）的状态，它会让电子这种自然界的基本粒子变成“碎片”。 剑桥大学等机构的研究人员在一种类似石墨烯的二维材料中首次测量到了这些称为“马拉约那费米子”（Majoranafermion）的分数化粒子。他们的结果很好地与基塔耶夫模型（Kitaevmodel，量子自旋液体的主要理论模型）相符。研究结果发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。 量子自旋液体是一类神秘的物质状态，被认为隐藏在特定的磁性物质中。科学家此前没有在自然中找到证明其存在的决定性观测证据。 研究人员在真实材料中观察到了它最迷人的性质——分裂电子，或分数化（fractionalisation），这是一个重大突破。实验所产生的马拉约那费米子可以用作量子计算机的基本材料，而量子计算机的速度会比传统计算机更快，而且一些计算只能通过量子计算机才能实现。 “这是一种新的量子物态，早被预言过，但我们从未观察到。”论文合作者之一、来自卡文迪许实验室的 Johannes Knolle博士说。 在典型的磁性材料中，每个电子都表现得像是微型的条形磁铁。如果将材料冷却到足够低的温度，这些“小磁铁”就会自发排列起来，所有的磁极（比如北极）都会指向同一个方向。 但是，如果某种材料中含有自旋液体物态，即使将这个材料冷却到绝对零点，这些“小磁铁”也不会排列整齐，而是受量子涨落效应影响，形成纠缠的“浓汤”。 “直到最近，我们都不知道量子自旋液体的实验应该是什么样的，”合作者之一、同样来自卡文迪许实验室理论凝聚态小组的 DmitryKovrizhin 博士说，“我们在之前工作中提出了一个问题，即如果我们实施了可能的量子自旋液体实验，我们会观察到什么？” 在橡树岭国家实验室的领导下，Knolle 和 Kovrizhin的论文合作者使用中子散射的方法在三氯化钌（RuCl3）晶体中寻找电子分数化的实验证据。研究人员通过向三氯化钌晶体照射中子测试其磁性性质，在屏幕上观察到中子产生的涟漪。 普通的磁体会产生独特的清晰斑点，但量子自旋液体中的马拉约那费米子究竟会产生什么样的图案却是个谜。2014年，Knolle和同事对其做出了理论预言，很好地符合了实验中的观察。这为二维材料中的量子自旋液体及电子分数化的存在首次提供了直接的证据。 “已知的量子物态中又加入了新的一员。” Knolle 说。 “这是我们理解量子物质所迈出的重要一步，”Kovrizhin说，“观察到从未见过的新量子态实在是一件趣事，尝试新的事情给我们带来了新的可能。”(phys.org)