一种全新的自旋液体被发现啦！

材料牛注：科学家们预测到存在着一种新的自旋液体，其数学表述和对称性有着重大关联。

冲绳科技研究所研究生院（OIST）的物理学家通过计算机模拟进行理论探索预测到一种新型自旋液体的存在，该种自旋液体的特殊现象激起了科学家们的兴趣。这是一种磁性原子沿不同的方向连续波动的磁性材料。尤其是自旋液体的数学表述和对称关系有着密不可分的联系，这是用物理方法描述世界的一个重要因素。从事于OIST量子理论研究的研究者们在Nature Communications上发表他们的研究成果。

自旋液体一直为物理学家所熟知，但由于它是固体，其“自旋液体”字面意思容易引起人们误解，其液体的概念是从其原子的磁场方向理解的。原子的磁场方向是根据原子核周围电子的自旋所定义的。为了让原子可视化，磁场方向可以用在空间中指向特定方向的箭头来描述。

在高温下，所给定材料内部的箭头方向是随机的：即每一个原子的方向都不同。随着材料逐渐冷却，材料内部的箭头开始规律重复的排布。自旋液体是即使在低温下原子方向也能持续变动的磁性材料。

由于自旋液体不像其他磁体一样具有规律重复的形态，所以其很难约束。能够预测一种新自旋液体的存在是非常巨大的成功。从理论上来说，科学家所发现的新自旋液体由特殊的内部结构所描述——每个原子的磁性与其周围磁性的关系。

这项发现具有重大意义，因为科学家们对这种自旋液体的数学表述和其对称度有着巨大的联系。对称性是物理学家们了解自然基本力量的一种途径，例如电磁场。自旋液体对称性的发现非常有趣，因为它揭示了物理学科不同分支之间的深度联系。这些联系对我们如何理解物理学家的观点有着历史性的作用。

研究还预测如何确定这种独特的旋转液体的实验，这点更令人兴奋。通过计算机模拟证实了这项发现后，研究者们预测通过中子发散实验可以证实这种自旋液体的存在。对材料发射中子束后，通过观察放置在材料周围的传感器可以得知，在中子束击中材料后，会产生3D图。如果科学家们的假设是正确的，他们所期望的被称为“夹线”的外观特征会出现在给定材料的图中。夹线是看起来像一系列的蝴蝶结堆叠在彼此之上的不寻常的形状。

研究人员已经有了一个能找到这种旋转液体材料的好主意。对这种自旋液体进行中子散射实验计算机模拟，发现其和先前的磁性材料Tb₂Ti₂O₇的实验结果有着惊人的相似。如果能在这种材料中发现夹线，那么这将会令人兴奋，因为这能揭示这种奇怪的自旋液体状态。

即使需要一段时间才能有可能实验证实这些新发现，但是研究本身的潜力将会促进许多新发现的出现。论文的第一作者Owen Benton发表评论：“探究许多原子在一起时的相互作用，常常会带来意想不到的发现，如晶体管和激光的发展”。

参考原文：A new spin on reality

本文由材料人编辑部曾庆辉提供素材，侯循编译，赵建伟审核，点我加入编辑部。