寻找量子自旋液体

来源：时间：2022-02-07 08:35:02

由Yogesh Singh和国际合作者印度科学教育与研究所，Mohali

我们熟悉物质或相的三种常见状态: 固体、液体和气体。通过改变例如温度或压力来调整组成粒子之间的相互作用，可以实现它们之间的转换。如果温度升高，冰就会变成水。气体在加压时可以液化。

固体材料中的电子也被称为以不同的相存在，这取决于它们的排列方式和相互作用的方式。例如，磁性固体以两相形式存在-顺磁相和铁磁相。在铁磁阶段，自旋-电子的固有特性，它可以相对于外部磁场向上或向下-所有电子都指向同一方向。这可以与日常材料的固态相比。在顺磁相中，自旋都是随机排列的。这类似于气相。

然而，液态是难以捉摸的。这是因为大多数物质在冷却至低温时会冻结为固体。类似地，在常规磁体中，在高温下随机波动的 “电子自旋” 停止并随着温度降低而刚性定向。当温度接近绝对零时，热波动-由温度引起的随机性-几乎停止。但是，“量子波动” 变得显而易见。这是指像电子这样的量子粒子所具有的不确定性，在这种情况下，是与自旋方向有关的不确定性。根据海森堡的不确定性原理，无法确定电子的自旋方向。旋转同样可能是向上或向下，向左或向右。

如果量子波动很强，它们会导致 “磁性” 固体的 “熔化”，就像热波动一样。这是液体状态，即使在绝对零温度下，电子自旋也没有固定的方向。此状态称为 “量子自旋液体” 或QSL。

在电子以三角形形式排列并且它们的相互作用是反铁磁的材料中，可以预期自旋方向的不确定性，即相邻电子沿反平行方向排列。在这种形式下，所有三个角上的自旋不能彼此反平行。这会导致一种称为 “几何磁挫折” 的情况，该情况会阻止三个角上的旋转选择任何特定的固定方向。永久波动的结果状态是QSL状态。所有自旋彼此平行排列的铁磁相互作用不会令人沮丧，因为所有角落的自旋都可以指向同一方向。由于这些原因，对QSL候选者的搜索仅限于少数具有由三角形基序和反铁磁相互作用组成的晶格的材料。

但是，我们现在已经能够证明qsl可以发生在更复杂的晶体中，并且磁相互作用的组合更加丰富。我们已经研究了氧化铬钙 (Ca10Cr7O28) 的结构和热力学性质，它具有一组复杂的各向同性磁相互作用，由主要的铁磁相互作用和较弱的残余反铁磁相互作用组成，根据传统的理解，这不利于自旋液体行为。然而，一些微观测量表明，即使在低至20毫开尔文的温度下，这些样品中的自旋仍保持其集体运动，并且表现得像QSL。

QSLs可能会在建筑热导体 (也是电绝缘体) 中找到用途。更重要的是，还讨论了自旋液体在量子计算中的应用，其中QSL的拓扑激发可以用作量子计算机的 “量子位”。