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渡渡-计算量子自旋液体中的非常规自旋输运

东京理工学院(Tokyo Institute of Technology)和横滨国立大学(YNU)的科学家们发现了自旋微扰通过量子自旋液体系统中一个看似无法通过的区域的特殊机制。这一新发现可能代表着下一代电子学甚至量子计算机的另一块基石。

我们所知道的电子设备已接近其理论极限,这意味着将需要全新的技术来获得更好的性能或更高的微型化。问题是,现代电子学的核心是操纵电流,因此主要关注的是移动电子的集体电荷。但是如果信号和数据可以被编码并以更有效的方式发送呢?

自旋电子学是一个新兴的技术领域,它将彻底改变电子学,并有望成为量子计算机发展的关键参与者。在自旋电子器件中,电子最重要的特征是自旋,这是一种可广泛视为角动量的固有特性,也是固体中磁性现象的根本原因。然而,全世界的物理学家都在努力寻找通过材料产生和传输“自旋包”的实用方法。在最近的一项研究中,日本东京科技大学和YNU大学的科学家们对一个被称为Kitaev模型的特殊系统的自旋输运特性进行了理论分析。

该二维模型包含一个蜂窝网络,其中每个顶点承载一个自旋。Kitaev系统的特殊之处在于,由于自旋之间的特殊相互作用,它表现得像量子自旋液体(QSL)。这广义上意味着,在这个系统中,旋转不可能以一种独特的最佳方式来安排,“使每个旋转都满意”。这种现象被称为自旋受挫,导致自旋以一种特别无序的方式表现。领导这项研究的Akihisa Koga教授说:“Kitaev模型是研究QSLs的一个有趣的场所。然而,人们对其有趣的自旋输运特性知之甚少。

基塔耶夫模型的一个重要特征是它具有局部对称性;这种对称性意味着自旋只与最近的自旋相关,而与远处的自旋不相关,这就意味着自旋输运应该存在一个障碍。然而,在现实中,基塔耶夫系统一侧的小磁扰动确实表现为相反边缘的自旋的变化,即使这种扰动似乎没有引起物质更对称的中心区域的磁化程度的任何变化。这个有趣的机制是科学家团队在他们的研究中阐明的,发表在《物理评论快报》上。

他们在Kitaev QSL的一侧施加脉冲磁场来触发自旋包传输,并对其展开的实时动态进行了数值模拟。事实证明,磁扰动是通过马略拉纳费米子穿越物质的中心区域。这些都是内部;它们不是真正的粒子,而是系统集体行为的精确近似值。

值得注意的是,马约拉纳介导的自旋输运不能被经典的自旋波理论解释,因此需要进一步的实验研究。但古贺对这项研究结果的应用潜力充满希望。他说,“我们的理论结果应该与实际材料相关,而且我们的研究设置可以在基塔耶夫系统的某些候选材料上实际实施。”

在他们的文章中,科学家们讨论了可能的材料、产生自旋扰动的方式,以及寻找马略拉纳费米子穿过大量材料到达另一个边缘证据的实验方法。它甚至有可能控制系统中静止(非运动)的马略拉纳费米子的运动,这可能是有实际用途的。

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