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自旋状态的故事-在新材料中观察量子自旋液体状态

除了量子物理理论所提供的对自然世界的深刻理解之外,世界各地的科学家都在努力通过利用这一新知识在工程应用中带来一场技术革命。自旋电子学是一个新兴的领域,旨在突破传统电子学的局限,利用电子的自旋,大致可以看作是电子的角度旋转,作为一种传递信息的手段。

但是,设计能够使用自旋运转的装置是极具挑战性的,并且需要使用外来状态的新材料——甚至一些科学家还没有完全理解和实验观察到的新材料。在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中,日本东京科学大学应用物理系的科学家们描述了一种新合成的公式为KCu6AlBiO4(SO4)5Cl的化合物,它可能是理解难以捉摸的“量子自旋液体(QSL)”状态的关键。首席科学家Masayoshi Fujihala博士解释了他的动机:“对QSL状态的观察是凝聚态物理学中最重要的目标之一,也是开发新的自旋电子器件的重要目标之一。然而,由于存在无序或偏离理想模型,二维(2-D)系统中的QSL状态在真实材料中没有被清楚地观察到。”

量子自旋液体状态是什么?在反铁磁性材料中,在特定温度下,电子的自旋会自然排列成大规模的图案。然而,在QSL状态的材料中,自旋的无序程度类似于液态水分子与结晶冰的无序程度。这种无序源自一种称为挫折的结构现象,在这种结构中,旋不可能是对称的,并且在能量上对所有电子都有利。KCu6AlBiO4(SO4)5Cl是一种新合成的化合物,它的铜原子以一种特殊的二维模式排列,被称为“方形戈果米晶格(SKL)”,这种排列方式有望通过挫折产生QSL状态。该研究的合著者Mitsuda教授说:“SKL系统的模型化合物的缺乏阻碍了对其自旋状态的更深入理解。在此基础上,我们合成了KCu6AlBiO4(SO4)5Cl,这是SKL的第一种反铁磁体,并证明了在极低温度下缺乏磁性有序——QSL状态。

然而,通过使用标准的“J1-J2-J3 SKL海森堡”模型进行理论计算,无法复制得到的实验结果。这种方法考虑晶体网络中每个铜离子与其近邻之间的相互作用。合著者森田胜弘博士解释说:“为了消除这种差异,我们计算了一个SKL模型,使用不同的参数集来考虑下一个最近邻的相互作用。尽管如此,我们还是无法重现实验结果。因此,为了正确地理解这个实验,我们需要通过进一步的交互作用来计算模型。”

实验和计算之间的分歧凸显了需要改进现有的理论方法,为教授合著者Takami Tohyama总结道:“虽然我们合成的SKL反铁磁性物质是第一候选人调查SKL磁性,我们可能不得不考虑远程交互获得量子自旋液体在我们的模型。这在理论上对揭开QSL国家的本质提出了挑战。”让我们希望物理学家们能够设法解决这个挑战,使我们向自旋电子学的美好前景又迈进了一步。

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