物理学家长期以来一直认为存在一种被称为量子自旋液体的独特物质状态。在这种状态下，即使在绝对零度下，磁性粒子也不会形成有序的模式。相反，它们保持在不断波动的纠缠态。这种不寻常的行为是由复杂的量子规则控制的，导致了类似于光与物质相互作用等我们宇宙基本方面的涌现特性。尽管它具有有趣的意义，但通过实验证明量子自旋液体的存在并探索其独特的性质一直极具挑战性。
在最近发表在《自然物理学》上的一篇论文中，一个由来自瑞士和法国的实验团队以及包括莱斯大学在内的加拿大和美国的理论物理学家组成的国际研究小组在一种名为焦绿铈锡酸盐的材料中发现了这种神秘的量子自旋液体的证据。他们将最先进的实验技术（包括极低温下的中子散射）与理论分析相结合，实现了这一目标。通过测量中子与焦绿石中电子自旋的磁性相互作用方式，研究人员观察到自旋的集体激发与光波的强烈相互作用。
瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute）实验小组的负责人罗曼·西比尔（Romain Sibille）说：“在量子自旋液体中长期存在的分数物质准粒子，需要在实验分辨率方面取得重大进展，才能在这类材料中进行令人信服的测试。”“实际的中子散射实验是在法国格勒诺布尔的Laue-Langevin研究所的一台高度专业化的光谱仪上进行的，这使我们能够获得极高分辨率的数据。”
“中子散射是分析磁体自旋行为的一种行之有效的工具，”莱斯大学物理学和天文学副教授安德里·内维多姆斯基补充说，他对所获得的数据进行了理论分析。“然而，要提出一个明确的‘确凿证据’来证明这种材料含有量子自旋液体是非常困难的。”
事实上，nevidomsky在2022年的一项研究表明，缩小理论模型以可靠地描述实验远非易事，需要在数值上探测出模型参数并将其拟合到多个实验中。
自旋子和分馏
在量子力学中，电子具有一种叫做自旋的特性，它的行为就像一个微型条形磁铁。当许多电子相互作用时，它们的自旋通常排列或反排列（在相反的方向排列）。然而，某些晶体结构的排列，如焦绿石，可以破坏这两种排列。这种现象被称为“磁挫折”，它阻止自旋稳定成传统的秩序，创造了量子力学可以以非凡的方式表现出来的条件，包括量子自旋液体的出现。
“尽管它们的名字叫量子自旋液体，但它确实存在于固体材料中，”研究受挫磁体量子理论多年的nevidomsky说。
nevidomsky解释说，量子自旋液体中的几何挫折是如此严重，以至于电子形成了量子力学叠加，导致电子自旋之间出现了类似流体的相关性，就好像这些自旋浸没在液体中一样。
nevidomsky说：“更重要的是，基本激发并不是一个从上到下翻转方向的个体自旋，反之亦然。”“相反，它们是一些奇怪的、离域的物体，具有一个自旋自由度的一半；我们称之为自旋子。当一个自旋翻转分成两半时，这种现象被称为分馏。”
分馏的概念和理解如何产生的分数粒子相互作用是这个实验-理论合作进行研究的关键。自旋子可以被认为具有磁荷，两个这样的粒子之间的相互作用类似于带电电子相互排斥。
“在量子层面上，电子通过发射和重新吸收被称为光子的光量子来相互作用。类似地，在量子自旋液体中，自旋子之间的相互作用被描述为交换类光量子，”nevidomsky说。
这种类比将量子自旋液体的研究与量子电动力学（QED）联系起来，量子电动力学描述了电子如何通过光子交换相互作用，并形成了粒子物理学标准模型的基础。类似地，量子焦绿石磁体理论将自旋子描述为通过涌现的“光子”相互作用。然而，与我们宇宙中的QED不同，在我们的宇宙中，光以恒定的速度传播，这些磁铁中涌现的“光”要慢得多——大约比自旋子的速度慢100倍。这种明显的差异导致了迷人的现象，如切伦科夫辐射和粒子-反粒子对产生的可能性增加。当与多伦多大学一组物理学家的补充研究相结合时，这些发现为实验数据中类似qed的相互作用提供了明确的证据。
西比尔说：“看到理论家们艰苦的实验和不懈的努力得出这样的结论，这是非常令人兴奋的。”
未来的应用
这项研究为量子自旋液态及其分数化激发提供了一些迄今为止最清晰的实验证据。它证实了像锡酸铈这样的材料可以承载这些奇异的物质相，这不仅对基础物理学很有吸引力，而且对量子计算等量子技术也有影响。结果还表明，我们可能能够调整这些材料来探索不同的量子现象，如双粒子的存在，为未来的研究打开大门。
被称为视子的双粒子与自旋不同，它们携带的是电荷而不是磁荷。它们类似于近一个世纪前量子力学先驱保罗·狄拉克首次提出的理论上的磁单极子，他预测了磁单极子的量子化。尽管磁单极子从未被观测到，并且被高能理论家认为是极不可能的，但这个想法仍然是现代物理学中一个迷人的方面。
“在这一发现之后，在一块材料中的电子自旋形成的玩具宇宙中寻找单极子粒子的证据是更令人兴奋的，”nevidomsky说。
这项研究得到了瑞士国家科学基金会（R.S. and v.p., Grant No. 200021_179150）、美国国家科学基金会材料研究分部（DMR-1917511） （H.Y.和A.H.N.）以及加拿大自然科学与工程研究委员会（F.D.和yb.k.）的支持。
