量子自旋液体（QSL）是一种迷人而神秘的物质状态，多年来吸引了科学家的兴趣。最初由诺贝尔奖获奖者菲利普·安德森于1970年代提出，这些材料通过从未达到稳定的磁状态而违背传统的磁性行为，即使在接近绝对零度的温度下也是如此。相反，它们内部的原子自旋不断波动并交织在一起，形成一种磁“液体”。这种奇特的活动是由于一种叫做磁挫折的现象造成的，在这种现象中，相互对立的力量阻碍系统达到一致的有序结构。研究QSL非常具有挑战性，因为它们没有表现出标准磁性材料中典型的磁相变特征，使得通过传统方法检测和理解它们变得困难。因此，研究人员发现它们的行为是一个复杂的谜题。
材料β’-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂是一种具有三角晶格的分子晶体，已被确定为展示QSL特性的有前途的候选材料。其内部的自旋排列产生了固有的挫折，因为相邻的自旋相互作用无法同时得到满足。这种配置似乎非常适合QSL状态，但早期的研究对其是否真正展现了二维QSL行为或其性质是否受到维度减少的影响提出了不确定性。这种不确定性一直是当前研究的一个重点。
由日本芝浦工业大学的石井康之教授及RIKEN的大岛裕与瀬尾仁士、拉瑟福德·阿普顿实验室的弗朗西斯·L·普拉特、熊本大学的津村拓男共同领导的最新研究，于2024年12月3日发表在《物理评论快报》上，揭示了这一谜团。石井教授和大岛教授分别通过μ子自旋旋转（µSR）和电子自旋共振（ESR）实验观察到β’-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂中显示一维自旋行为的迹象。这些发现与通常的二维三角磁体概念有显著的偏差，给其解释带来了复杂性。他们随后寻求来自瀬尾博士、津村副教授及其团队的理论见解。利用先进的理论建模，研究人员发现该材料中的自旋动力学主要受到准一维（1D）行为的影响，挑战了对二维QSLs的传统理解。
这些作者是磁共振和独特磁现象的专家，结合ESR和µSR技术与理论建模来研究β’-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂。“我们引入了一种不同的实验方法，通过ESR和µSR分析β’EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2的基态，”石井教授强调了他们的研究方法。
ESR通过研究材料中电子的磁响应来评估自旋各向异性和扩散。与此同时，µSR通过观察μ子自旋与磁场之间的相互作用，揭示了材料的自旋弛豫动力学和维度。这些实验方法通过密度泛函理论（DFT）评估和先进的哈伯德模型模拟得到了增强，从而深入了解电子结构和磁相互作用。结果揭示，β’-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂中的自旋动力学主要受准一维行为的主导，而不是预期的二维动力学。通常，1D自旋扩散会在最强的磁相互作用方向上出现；然而，ESR突出显示的方向被认为代表最弱的相互作用，这基于之前的理论模型。这一发现出乎意料，因为该材料的二维特性使研究人员假设它将展现二维自旋动力学。此外，μ子自旋弛豫实验证实了这些结果，其中出现的B-0.5模式在自旋弛豫中，暗示了一维自旋扩散。ESR显示各向异性或方向依赖的自旋运动，支持了这一观点。
“量子自旋液体的独特特征在未来可能应用于尖端技术，如量子计算机和自旋电子设备。这项研究标志着朝着这一基础的重要一步，并为未来的技术进步铺平了道路，”共同作者大岛裕评论道，解释了研究的贡献。
尽管有了这些新发现，但关于维度减少的精确机制仍然存在问号。磁挫折、量子波动以及多轨道效应之间的相互作用还需要进一步探索。石井教授和团队打算将他们的方法应用于其他QSL候选材料，旨在识别适用于这些物质的普遍原则。他们的工作强调了采用ESR和µSR等复杂技术来解决研究QSL所面临的挑战的必要性。通过确认量子自旋液体状态的存在和动态测量，这项研究使研究人员更接近完全认识这些非凡材料的潜力。
