物理学家发现量子自旋液体中强光物质相互作用

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这种不寻常的行为受复杂的量子规则控制，导致出现类似于我们宇宙基本方面的特性，例如光与物质的相互作用。尽管其含义令人着迷，但通过实验证明量子自旋液体的存在并探索其独特性质却极具挑战性。
在最近发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中，一个由瑞士和法国的实验团队以及加拿大和美国的理论物理学家（包括莱斯大学）组成的国际研究小组在一种名为烧绿石锡酸铈的材料中发现了这种神秘量子自旋液体存在的证据。
他们通过将最先进的实验技术（包括极低温度下的中子散射）与理论分析相结合来实现这一目标。通过测量中子与烧绿石中电子自旋的磁相互作用方式，研究人员观察到自旋的集体激发与类光波强烈相互作用。
“长期以来，人们一直在量子自旋液体中研究分数物质准粒子，但要想在这种材料中进行令人信服的测试，就需要显著提高实验分辨率，”瑞士保罗谢尔研究所实验团队负责人罗曼西比尔 (Romain Sibille) 表示。“实际的中子散射实验是在法国格勒诺布尔劳厄-朗之万研究所的一台高度专业的光谱仪上进行的，这使我们能够获得极高分辨率的数据。”
“中子散射是分析磁体自旋行为的成熟工具，”莱斯大学物理学和天文学副教授 Andriy Nevidomskyy 补充道，他对所获得的数据进行了理论分析。“然而，很难找到一个明确的‘确凿证据’来证明该材料含有量子自旋液体。”
事实上，Nevidomskyy 在 2022 年进行的一项研究表明，缩小理论模型以可靠地描述实验绝非易事，需要通过数字方式找出模型参数并将其拟合到多个实验中。
自旋子和分数化
在量子力学中，电子具有一种称为自旋的属性，其行为类似于微型条形磁铁。当许多电子相互作用时，它们的自旋通常会对齐或反向对齐（以相反的方向对齐）。然而，某些晶体结构（如烧绿石）的排列可能会破坏这两种排列。
这种现象被称为“磁挫折”，它阻止自旋稳定到传统秩序，从而创造了量子力学以非凡方式体现的条件，包括量子自旋液体的出现。
“尽管名字如此，但量子自旋液体确实存在于固体材料中，”多年来一直研究受挫磁体量子理论的 Nevidomskyy 说道。
Nevidomskyy 解释说，量子自旋液体中的几何失稳非常严重，以至于电子反而形成量子力学叠加，导致电子自旋之间产生类似流体的关联，就好像自旋浸泡在液体中一样。
“更重要的是，基本激发不是单个自旋从上到下或从下到上的翻转，”Nevidomskyy 说。“相反，它们是这些奇异的、非局域化的物体，它们带有一个自旋自由度的一半；我们称之为自旋子。当单个自旋翻转分裂成两半时，这种现象被称为分裂化。”
分裂的概念以及理解由此产生的分裂粒子如何相互作用是这项实验-理论合作研究的关键。自旋子可以被认为是带有磁荷的，而两个这样的粒子之间的相互作用类似于带电电子相互排斥。
“在量子层面上，电子通过发射和重新吸收被称为光子的光量子来相互作用。同样，在量子自旋液体中，自旋子之间的相互作用可以用交换类似光的量子来描述，”Nevidomskyy 说。
这种类比将量子自旋液体的研究与量子电动力学 (QED) 联系起来，后者是描述电子如何通过光子交换相互作用的理论，并构成了粒子物理学标准模型的基础。同样，量子烧绿石磁体的理论将自旋子描述为通过出现的“光子”相互作用。
然而，与我们宇宙中的 QED 不同，光以恒定速度传播，而这些磁体中出现的“光”要慢得多——大约比自旋子的速度慢 100 倍。这种鲜明的差异导致了切伦科夫辐射等令人着迷的现象，并增加了粒子-反粒子对产生的可能性。当与多伦多大学一组物理学家的互补研究相结合时，这些发现为实验数据中类似 QED 的相互作用提供了明确的证据。
西比尔说：“看到理论家们通过艰苦的实验和专注的努力得出这样的结论，我感到非常兴奋。”
未来的应用
这项研究为量子自旋液态及其分数激发提供了迄今为止最清晰的实验证据。它证实了锡酸铈等材料可以承载这些奇异的物质相，这不仅对基础物理学很有吸引力，而且可能对量子计算等量子技术产生影响。结果还表明，我们可能能够调整这些材料来探索不同的量子现象，例如双粒子的存在，为未来的研究打开大门。
双粒子，即所谓的视子，与自旋子不同，它们携带的是电荷而不是磁电荷。它们类似于近一个世纪前量子力学先驱保罗·狄拉克首次提出的理论上的磁单极子，他预测了它们的量子化。尽管磁单极子从未被观测到，高能理论家认为它们极不可能出现，但这个想法仍然是现代物理学中一个引人入胜的方面。
“有了这一发现，在由一块材料中的电子自旋形成的玩具宇宙中寻找类单极子粒子的证据就变得更加令人兴奋了，”Nevidomskyy 说。