科学家们发现了一条新颖的途径，创造出在量子层面上展现复杂“无序”磁性特性的材料。这种新开发的材料基于钌的框架，符合难以捉摸的“基塔耶夫量子自旋液体状态”的标准——这一现象研究人员们多年来一直努力理解。
科学家们首次提出了一种新方法，合成展示复杂“无序”磁性特征的量子材料。这种特定材料基于钌框架，符合“基塔耶夫量子自旋液体状态”的标准，这是一种几十年来困扰科学家的神秘现象。
这项研究发表在《自然通讯》上，由伯明翰大学的研究人员进行，代表了在创建和控制与经典物理原则显著不同的创新性质的量子材料方面的重要进展。
重要的是，这些材料提供了一种不同于传统“铁磁体”的磁性特征的方法，后者围绕两个极组织。铁磁体——例如常见的冰箱磁铁——含有相互作用的电子，每个电子都像一个小磁铁，吸引或排斥，各自朝同一方向排列，从而产生磁力。
相比之下，量子自旋液体材料显示出不遵循这种模式的磁性特征。这些材料不是铁磁体所典型的良好组织特征，而是无序的，内部的电子通过一种称为量子纠缠的现象以磁性相互连接。
尽管量子自旋液体在理论上被承认，并且已经被科学家建模，但在实验室环境中创造或自然发现它们以前是不可实现的。
最新的研究描述了一种独特的基于钌的材料的性质，这为研究这些物质状态铺平了道路。
首席研究员露西·克拉克博士表示：“这项工作在学习如何设计新材料以让我们探索物质的量子状态方面代表了一个关键步骤。它揭示了一系列大部分未经过检查的材料，可能为工程新的磁性特性用于量子应用提供重要见解。”
虽然有几种自然的铜矿物和晶体结构，科学家怀疑可能存在量子自旋液体状态，但由于自然中存在的额外结构复杂性，这些尚未得到验证。量子自旋液体的复杂性质也给理论学者带来了挑战，因为建模会导致许多相互矛盾的磁性相互作用，难以解读，导致物理学家之间出现分歧。
2009年，理论物理学家亚历克谢·基塔耶夫创建的模型列出了量子自旋液体的一些基本原则，但它所描述的磁性相互作用需要一个科学家们在实践中尚未能实现的环境，否则材料会恢复到标准的有序磁性状态。
这种行为被认为与潜在材料的紧密堆积的晶体结构有关。这些结构中的离子排列得非常紧密，因此可以直接相互作用，导致磁序的恢复。
利用英国的ISIS中子和缪子源以及钻石光源的专用仪器，伯明翰团队证明了一种具有开放框架结构的新材料能够调整钌金属离子之间的相互作用，创造通往基塔耶夫量子自旋液体状态的新途径。
关键是，这些更加开放的结构内的磁性相互作用比通常情况下要弱，从而允许科学家更灵活地修改其具体行为。
克拉克博士总结道：“虽然这项研究没有产生理想的基塔耶夫材料，但它在这一领域的理论工作与实验之间建立了宝贵的联系，并打开了令人振奋的新研究途径。”
