科学家发现新的量子自旋液体
由利物浦大学和麦克马斯特大学领导的一个国际研究小组在寻找物质的新状态方面取得了重大突破。在《自然物理》(Nature Physics)杂志上发表的一项研究中，研究人员表示，钙钛矿相关的金属氧化物TbInO3呈现出量子自旋液态，这是一种长期以来备受追捧的不寻常的物质状态。利用非弹性中子散射和介子光谱等前沿实验技术，研究人员发现，TbInO3中的奇异量子态来自于稀土元素铽材料中磁性离子周围复杂的局部环境。
这一发现令研究小组感到意外，因为根据TbInO3的晶体结构，人们预计这种材料不会表现出如此不同寻常的磁性。量子自旋液态理论是40多年前由诺贝尔奖得主菲利普·安德森(Philip Anderson)提出的。在量子自旋液体中，磁矩表现得像液体，即使在绝对零度也不会冻结或定级，这就产生了几种不同寻常的材料特性。量子自旋液体的物化仍然存在广泛争议。因此，能够承载这种物质状态的新材料的发现和探索是先进材料研究的活跃领域，在量子计算的发展中具有潜在的应用价值。
该大学材料创新工厂的露西·克拉克博士领导了一个量子材料研究项目，她说:“我们花了几年的努力和实验，才达到对TbInO3的理解。”当研究像量子自旋液体这样复杂的物质量子态时，进行一项实验往往会提出比它能回答的更多的问题。然而，在TbInO3的例子中，物理学是特别丰富的，所以我们特别有动力坚持下去。我们的研究表明，TbInO3是一种令人着迷的磁性材料，它很可能有更多有趣的特性有待我们去发现。“如果没有我们在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)世界领先的中心设施以及在卢瑟福阿普尔顿实验室(Rutherford Appleton Laboratory)的ISIS设施的同事们的合作，这些工作都不可能完成。我们的大部分实验都是在卢瑟福阿普尔顿实验室进行的。”这两种设备都能产生粒子——尤其是中子和介子——我们可以用它们来探测物质的原子结构和性质，从而揭示新相的性质，比如量子自旋液体。
麦克马斯特大学布罗克豪斯材料研究所所长布鲁斯·高林教授说:“这种材料看起来似乎很简单，铽自旋装饰着一个二维的三角形建筑。但是随着我们掌握的现代实验技术的全面补充，这种结构的低温磁性，基于两种不同的铽环境，呈现出一种完全奇异的物质量子无序状态——这是一个意想不到的令人兴奋的结果。露西·克拉克博士补充道:“该项目成功的关键在于强大而持久的国际合作，包括由罗格斯大学量子材料合成中心主任张尚武教授领导的小组。”