一项研究发现了一种稀有的预期在金属化合物中的一维量子磁性，提供了证据证明这一相空间迄今为止仍然主要是理论的。该研究正值全球对重新定义磁性、导电性和量子相干性的量子材料日益关注之际。
该化合物——Ti₄MnBi₂——成为已知的第二种具有确认的一维磁性的金属系统。
来自英属哥伦比亚大学布鲁森量子物质研究所（UBC Blusson QMI）的研究人员进行的研究发现金属化合物Ti₄MnBi₂中存在一种稀有形式的一维量子磁性，提供了证据揭示这一相空间迄今为止仍然主要是理论的。这项研究发表在《自然材料》（Nature Materials）上，恰逢全球日益关注重新定义磁性、导电性和量子相干性的量子材料之际。
“我们证明了存在一种新的量子材料类别，它们既是金属体又是一维磁体，磁矩与其金属宿主之间存在强耦合。”UBC Blusson QMI研究员梅根·阿伦森教授表示。
“到目前为止，几乎所有研究过的自旋链系统都是绝缘体，最终因链之间的耦合而在低温下变为三维。这意味着量子金属的标志性不稳定性：超导性、金属-绝缘体转变以及磁性的起源本身尚未在真正一维的系统中确立，无论是通过实验，还是（在较小程度上）通过理论。”阿伦森教授说。
自旋链是一种一维排列的微小磁体，称为自旋，它们彼此相互作用。通过与密度矩阵重整化群（DMRG）和电子结构计算相辅相成的中子散射测量，研究小组能够展示Ti₄MnBi₂是一个非常特定物理模型的实现，该模型由相互作用高度受挫的自旋链组成，导致仅在零温度下存在丰富的有序相。
与在非零温度下有序的三维系统不同，像Ti₄MnBi₂这样的单维系统由于强量子波动的影响而不会经历真正的有序。Ti₄MnBi₂是唯一第二种确认具有一维磁性的金属系统（另一种是Yb₂Pt₂Pb），也是第一个磁性和金属宿主之间强耦合的系统。
“通过证明这一中间领域的存在，Ti₄MnBi₂为建立一个适合探索的广泛量子景观迈出了重要一步。我们的实验与计算理论之间的优秀对应关系可能作为量子模拟的基准。特别是，我们希望使用中子散射结果作为与不同量子纠缠理论测量的比较基础。”阿伦森教授表示。
该研究得益于UBC Blusson QMI内部的协作专业知识。在实验方面，团队包括李熙扬博士和穆罕默德·欧达博士，而理论建模和分析则由科学员工阿尔贝托·诺西拉博士和凯特瑞娜·福耶夫茨娃博士牵头，以及调查员乔治·萨瓦茨基教授和梅根·阿伦森教授领导。中子散射实验对于识别量子自旋行为至关重要，使用的是日本J-PARC的仪器进行。
通过搭建传统磁性绝缘体与更复杂电子系统之间的桥梁，这项研究为自旋电子学和量子计算的进步开辟了新的途径。
“我们的工作在量子类比模拟的背景下代表了一个理想的量子优势演示试验台。它也提供了可能有助于开发具有高密度和高速的独特磁性存储器的见解。”UBC Blusson QMI工作人员阿尔贝托·诺西拉博士说。
“我们生长了超过100批高质量的这种材料的单晶，超过400个晶体对齐于中子散射实验中使用。”本研究的第一作者以及UBC Blusson QMI的博士后研究员李熙扬博士说。“我们的结果为进一步探索新材料系统以适应新兴量子技术的激动人心的应用开启了新机会。”
