據信具有量子液體自旋的磁性材料因其揭示奇異物質狀態和推進量子計算的潛力而引起了人們的極大興趣。然而，在量子世界中，表象可能具有欺騙性。一項新研究發表於 科學進步 萊斯大學的戴鵬程領導的團隊展示了六鋁酸鈰鎂（CeMgAl11哦19）曾經被認為是屬於這種罕見的類別，但實際上並不是量子自旋液體。
「這種材料被歸類為量子自旋液體，因為有兩個特性：連續觀察狀態和缺乏磁序，」第一作者、萊斯大學研究員高斌說。 “但仔細觀察這些材料表明，這些觀察結果的根本原因不是量子自旋的液相。”
磁態通常如何表現
用於 CeMgAl 等絕緣材料11哦19諸如鈰之類的磁性離子可以採用兩種排列之一：鐵磁或反鐵磁。在鐵磁狀態下，離子沿著相同方向排列，每個離子都會誘導周圍的離子做同樣的事情。在反鐵磁狀態下，相鄰離子指向相反的方向，形成另一種有序圖案。
科學家可以透過將材料冷卻到接近絕對零度的溫度來觀察這些排列。在這些條件下，傳統材料會陷入單一低能量的狀態。由於所有離子都以相同的排列方式排列，因此研究人員通常只能看到一種排列。
是什麼讓自旋量子液體與眾不同？
量子自旋液體的行為非常不同。它們不會陷入固定狀態，而是透過量子效應不斷在各種低能狀態之間切換。這意味著可觀察狀態的分佈或連續體，而不是單一狀態。它還會導致缺乏磁序，因為同時鐵磁和鐵磁傾向可能會出現相反的情況。
矽鎂鋁11哦19 他表現出了這兩個主要特徵。它缺乏清晰的磁序，並表現出最初代表液體量子自旋的連續狀態。然而，仔細一看，卻發現了另一種解釋。觀察到的連續體來自於鐵磁和反鐵磁相互作用的競爭引起的狀態簡併，而不是來自量子行為。
「我們對這種材料很感興趣，因為它具有一系列我們以前從未見過的特性，」萊斯大學的第一作者兼研究員陳童說。 “它不是量子自旋液體，但我們正在觀察我們認為與量子自旋液體相關的行為。”
一場微妙的磁性競爭
為了找出到底發生了什麼，團隊使用中子散射以及其他精確測量。他們發現這種材料的鐵磁和反鐵磁行為之間的界限異常薄弱。這使得磁性離子能夠在兩種狀態之間更自由地移動，而不是被鎖定在單一模式中。
因此，在同一結構中，一些離子表現出鐵磁性，其他離子則表現出鐵磁性。這種混合排列阻止系統形成單一有序狀態，而是創建許多可能的低能量配置。當冷卻到接近絕對零度時，材料可以陷入任何這些配置，從而產生一系列觀察到的狀態，類似於量子自旋液體中看到的連續體。然而，與真正的量子自旋液體不同，一旦材料進入某種狀態，它就會停留在那裡並且不會在狀態之間轉變。
這項研究的作者之一戴說：“材料在不同低能狀態之間‘選擇’的獨特能力產生了與液體量子自旋狀態非常相似的觀測數據。” “據我們所知，這是一種新的物質狀態，我們是第一個描述的。”
量子複雜性的提醒
這項發現凸顯了磁系統的複雜性和令人驚訝的程度。即使一種材料看起來與量子態的預期特徵相匹配，其底層物理學也可能會講述一個不同的故事。
戴補充道，這種獨特的材料提醒我們，我們對量子領域還有多少了解。 “它強調了仔細觀察數據和徹底研究的重要性。”
資助和研究支持
萊斯大學的中子散射和交流磁化率工作得到了美國能源部基礎能源科學（DE-SC0012311、DE-SC0026179）的支持。單晶生長工作得到了羅伯特·韋爾奇基金會 (C-1839) 的支持。羅格斯大學 BG、XX 和 SWC 的晶體生長得到了量子材料合成中心訪客計劃的支持，該計劃由戈登和貝蒂摩爾基金會 (GBMF6402) 和羅格斯大學的 EPiQS 計劃資助。 CL 和 LB 的理論工作得到了美國能源部、科學辦公室、BES (DE-FG02-08ER46524) 和西蒙斯超量子物質合作組織的支持。研究人員透過量子系統中的緊急現象計畫獲得了戈登和貝蒂摩爾基金會的個人支持；國家自然科學基金（12204160）；韓國國家研究基金會，科學和資訊通信技術部 (2022M3H4A1A04074153)；和韋爾奇基金會 (AA-2056-20240404)。中子散射實驗是根據提案 2022B0242 在 J-PARC 的 MLF 進行的。這項研究利用了散裂中子源的資源，散裂中子源是美國能源部科學用戶設施辦公室，由橡樹嶺國家實驗室運作。
