理论物理学家与实验团队合作，发现了一种名为钇铈锡酸盐的材料中存在量子自旋液体的证据。他们通过将尖端实验方法（如在极低温下进行的中子散射）与理论评估相结合，完成了这一壮举。通过检查中子与钇铈锡酸盐材料中电子自旋的磁性交互，研究人员检测到了与类光波强烈相互作用的自旋集体激发。
很长一段时间以来，物理学家一直推测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，磁性粒子也不会沉淀成整齐的有序模式。相反，它们保持在一种不断波动和缠结的状态中。这种奇异行为遵循复杂的量子规则，并引发出与我们宇宙的基本方面相呼应的涌现属性，例如光与物质之间的相互作用。然而，实验证明量子自旋液体的存在并深入探讨其独特属性却相当困难。
最近发表在《自然物理学》上的一项研究，由一个国际团队参与，包括来自瑞士和法国的实验研究人员以及来自加拿大和美国（包括莱斯大学）的理论物理学家，提供了在名为钇铈锡酸盐的材料中存在这种神秘量子自旋液体的证据。他们的成功源于使用先进的实验技术，如在极低温下进行的中子散射，结合理论分析。通过测量中子与钇铈锡酸盐中电子自旋的相互作用，研究人员检测到了与类光波强烈相互作用的自旋集体激发。
瑞士保罗·谢尔研究所实验团队负责人罗曼·西比尔表示：“在量子自旋液体中长期以来理论推测的分数物质准粒子，需要在这一材料中得到令人信服的验证，这需要实验精度的重大提升。” “实际的中子散射实验是在位于法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所的一个专用光谱仪上进行的，使我们能够收集到极高分辨率的数据。”
莱斯大学物理与天文学副教授安德烈·内维多姆斯基补充道：“中子散射是一种可靠的技术，用于检查磁体中自旋的行为。但是，找到一个确凿的‘烟枪’特征以确认材料中存在量子自旋液体是相当具有挑战性的。”
确实，内维多姆斯基在2022年的一项研究中表明，改进理论模型以有效匹配实验结果并不是简单的任务，需要详细的数值探索模型参数以及多次实验的结合。
理解自旋子和分数化
在量子力学领域，电子具有一种称为自旋的特性，类似于一个微小的磁铁。当多个电子相互作用时，它们的自旋通常会一致排列或相互对立。然而，在某些晶体结构中，如钇铈锡酸盐，这种正常排列会被扰乱。这种扰乱被称为“磁性挫折”，阻止自旋稳定为规则模式，创造出量子行为以惊人方式发生的条件，进而导致量子自旋液体的形成。
内维多姆斯基表示：“尽管名称而异，量子自旋液体实际上存在于固体材料中。”
他解释说，量子自旋液体中的严重几何挫折迫使电子以量子力学叠加的方式排列自己，导致电子自旋之间出现流体-like的相关性，仿佛自旋悬浮在液体中。
内维多姆斯基补充道：“此外，基本激发并不是一个自旋仅仅从向上移动到向下，或反向移动。相反，它们是这些奇特的去局域化实体，携带一个自旋自由度的一半；我们称之为自旋子。单个自旋翻转有效地分割为两个半的这一现象被称为分数化。”
这项实验与理论物理学家之间的关键合作研究涉及理解分数化以及这些分数粒子如何相互作用。自旋子可以比作具有磁性电荷，它们的相互作用与带电电子相互排斥相似。
内维多姆斯基指出：“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相互作用。然而，在量子自旋液体的情况下，自旋子之间的相互作用是通过类光量子的交换进行描述的。”
这种比较将量子自旋液体的研究与量子电动力学（QED）联系在一起，后者是描述电子通过光子的交换相互作用的理论——这是粒子物理标准模型的基础原则。同样，围绕量子钇铈磁体的理论描述通过涌现的“光子”来描述自旋子之间的相互作用。然而，与我们宇宙中光速的恒定性相反，这些磁体中涌现的“光”的传播速度显著较慢——大约是自旋子的100倍慢。这一重大区别导致了一些有趣现象，例如切伦科夫辐射和产生粒子-反粒子对的可能性增加。当与多伦多大学的物理学家的补充发现结合时，研究提供了实验数据中QED-类似相互作用的明确证据。
西比尔评论道：“看到这个具有挑战性的实验结果，以及理论家们的努力取得这样的结论，真是令人振奋。”
潜在的未来应用
这项研究提供了一些关于量子自旋液体状态及其分数激发的最清晰的实验证据。它验证了像钬铈锡酸盐这样的材料可以体现出这些特殊的物质相，这不仅吸引了基础物理学的兴趣，还可能会影响量子技术，如量子计算。结果也暗示我们可以操控这些材料探索各种量子现象，例如可能存在的双粒子，从而为进一步研究铺平道路。
这些双粒子称为“视觉子”，与自旋子不同，因为它们携带电而非磁性电荷。它们与几乎一个世纪前开创性量子力学家保罗·狄拉克首先提出的理论磁单极子相似，狄拉克预测了它们的量子化。尽管至今尚未观察到磁单极子，并且高能理论物理学家认为它们不太可能存在，但这一观点仍然令现代物理学深感着迷。
内维多姆斯基对此发现后表示：“在一个假设的由电子自旋组成的宇宙中寻找单极子样粒子的证据的前景，更加令人兴奋。”
该研究获得了瑞士国家科学基金（R.S.和V.P.，资助号200021_179150）、美国国家科学基金会材料研究分部资助（H.Y.和A.H.N.，奖项DMR-1917511），以及加拿大自然科学与工程研究委员会（F.D.和YB.K.）的资助。
