一種全新的自旋液體被發現啦！

材料牛注：科學家們預測到存在著一種新的自旋液體，其數學表述和對稱性有著重大關聯。

沖繩科技研究所研究生院（OIST）的物理學家通過計算機模擬進行理論探索預測到一種新型自旋液體的存在，該種自旋液體的特殊現象激起了科學家們的興趣。這是一種磁性原子沿不同的方向連續波動的磁性材料。尤其是自旋液體的數學表述和對稱關系有著密不可分的聯系，這是用物理方法描述世界的一個重要因素。從事于OIST量子理論研究的研究者們在Nature Communications上發表他們的研究成果。

自旋液體一直為物理學家所熟知，但由于它是固體，其“自旋液體”字面意思容易引起人們誤解，其液體的概念是從其原子的磁場方向理解的。原子的磁場方向是根據原子核周圍電子的自旋所定義的。為了讓原子可視化，磁場方向可以用在空間中指向特定方向的箭頭來描述。

在高溫下，所給定材料內部的箭頭方向是隨機的：即每一個原子的方向都不同。隨著材料逐漸冷卻，材料內部的箭頭開始規律重復的排布。自旋液體是即使在低溫下原子方向也能持續變動的磁性材料。

由于自旋液體不像其他磁體一樣具有規律重復的形態，所以其很難約束。能夠預測一種新自旋液體的存在是非常巨大的成功。從理論上來說，科學家所發現的新自旋液體由特殊的內部結構所描述——每個原子的磁性與其周圍磁性的關系。

這項發現具有重大意義，因為科學家們對這種自旋液體的數學表述和其對稱度有著巨大的聯系。對稱性是物理學家們了解自然基本力量的一種途徑，例如電磁場。自旋液體對稱性的發現非常有趣，因為它揭示了物理學科不同分支之間的深度聯系。這些聯系對我們如何理解物理學家的觀點有著歷史性的作用。

研究還預測如何確定這種獨特的旋轉液體的實驗，這點更令人興奮。通過計算機模擬證實了這項發現后，研究者們預測通過中子發散實驗可以證實這種自旋液體的存在。對材料發射中子束后，通過觀察放置在材料周圍的傳感器可以得知，在中子束擊中材料后，會產生3D圖。如果科學家們的假設是正確的，他們所期望的被稱為“夾線”的外觀特征會出現在給定材料的圖中。夾線是看起來像一系列的蝴蝶結堆疊在彼此之上的不尋常的形狀。

研究人員已經有了一個能找到這種旋轉液體材料的好主意。對這種自旋液體進行中子散射實驗計算機模擬，發現其和先前的磁性材料Tb₂Ti₂O₇的實驗結果有著驚人的相似。如果能在這種材料中發現夾線，那么這將會令人興奮，因為這能揭示這種奇怪的自旋液體狀態。

即使需要一段時間才能有可能實驗證實這些新發現，但是研究本身的潛力將會促進許多新發現的出現。論文的第一作者Owen Benton發表評論：“探究許多原子在一起時的相互作用，常常會帶來意想不到的發現，如晶體管和激光的發展”。

參考原文：A new spin on reality

本文由材料人編輯部曾慶輝提供素材，侯循編譯，趙建偉審核，點我加入編輯部。