革命性发现: 量子自旋可使电子再分裂

材料牛注：一个国际研究团队已在一种真实材料中，寻获了某种神秘的新材料，雖然早在過去40年前就有人推測但從未有过結果。这种新發現称之为「量子自旋液体」（quantum spin liquid），可使一般被认为不可分割的电子再产生分裂。

研究团队中来自剑桥大学的物理学家，最先在一种类似石墨烯的二维材料中测得这种分裂粒子即马约拉纳费米子(Majorana fermions)。他们的实验结果成功地符合一种主要的量子自旋理论模型即Kitaev模型。

量子自旋液体相当神秘，且被认为是隐匿在某种特定磁性材料中，尽管如此，仍尚未在大自然中被发现。

其中被观察到最吸引人的特性是电子分裂；或说分数化(fractionalisation)，这在真实材料中可是一大突破。马约拉纳费米子或许也可以作为量子计算机的基石，其运算速率远大于传统计算机，并且能执行无可媲美的演算。

该研究的共同作者之一，剑桥大学Cavendish实验室的Johannes Knolle教授说：「这是一种新的量子态，曾有人预测过却从未被证实。」

在典型的磁性材料中，每个电子就像一条小的磁铁棒，当材料被冷却到足够低的温度时，磁铁将会自我排序，因此所有的磁北极都会指向同一方向。

但在含有自旋液体的材料中，即便材料已冷却到逼近零度，这些磁铁棒也不会自己排序，反倒是由于量子波动的缘故而纠结成一团。

「直到现在我们甚至还不知道量子自旋液体的实验指纹(experimental fingerprints)长什么样子」，同样来自Cavendish实验室且为共同作者之一的Dmitry Kovrizhin教授说：「一件我们在过去能做的事就是反复去思索，假设我在执行一个可能有量子自旋态的实验，我可能会看到什么?」

由美国橡树岭国家实验室所领导的Knolle和Kovrizhin的共同作者，使用中子散射技术试图在三氯化钌(RuCl₃)的晶体中找寻分数化的实验证据。这些研究人员用中子照射RuCl₃来测试它的晶体磁性，并在屏幕上观察到由中子产生涟漪图案。

一个正常的磁铁会有明显的峰，而神秘的地方就在于马约拉纳费米子于量子自旋液体中会像什么，理论预测中的显著特性是由Knolle和他的合作搭档所提出，在2014年他们将其与实验中观察到的结果成功地配对，提供了第一手的量子自旋液体以及其在二维材料中电子分数化的证据。

Knolle教授说：「这对有限的量子态领域来说又是一大新突破」。

「这项发现使得我们又更加理解量子领域的问题。」Kovrizhin教授说：「认知到另外一种我们从未见过的新量子态是一件非常有趣的事情，它更多地赋予我们去挑战创新的可能。」

这项成果发布在Nature Materials杂志上。

原文参考地址：New state of matter detected in a two-dimensional material

本文由编辑部王宇提供素材，洪聖哲编译。