革命性發現: 量子自旋可使電子再分裂

材料牛注：一個國際研究團隊已在一種真實材料中，尋獲了某種神秘的新材料，雖然早在過去40年前就有人推測但從未有過結果。這種新發現稱之為「量子自旋液體」（quantum spin liquid），可使一般被認為不可分割的電子再產生分裂。

研究團隊中來自劍橋大學的物理學家，最先在一種類似石墨烯的二維材料中測得這種分裂粒子即馬約拉納費米子(Majorana fermions)。他們的實驗結果成功地符合一種主要的量子自旋理論模型即Kitaev模型。

量子自旋液體相當神秘，且被認為是隱匿在某種特定磁性材料中，盡管如此，仍尚未在大自然中被發現。

其中被觀察到最吸引人的特性是電子分裂；或說分數化(fractionalisation)，這在真實材料中可是一大突破。馬約拉納費米子或許也可以作為量子計算機的基石，其運算速率遠大于傳統計算機，并且能執行無可媲美的演算。

該研究的共同作者之一，劍橋大學Cavendish實驗室的Johannes Knolle教授說：「這是一種新的量子態，曾有人預測過卻從未被證實。」

在典型的磁性材料中，每個電子就像一條小的磁鐵棒，當材料被冷卻到足夠低的溫度時，磁鐵將會自我排序，因此所有的磁北極都會指向同一方向。

但在含有自旋液體的材料中，即便材料已冷卻到逼近零度，這些磁鐵棒也不會自己排序，反倒是由于量子波動的緣故而糾結成一團。

「直到現在我們甚至還不知道量子自旋液體的實驗指紋(experimental fingerprints)長什么樣子」，同樣來自Cavendish實驗室且為共同作者之一的Dmitry Kovrizhin教授說：「一件我們在過去能做的事就是反復去思索，假設我在執行一個可能有量子自旋態的實驗，我可能會看到什么?」

由美國橡樹嶺國家實驗室所領導的Knolle和Kovrizhin的共同作者，使用中子散射技術試圖在三氯化釕(RuCl₃)的晶體中找尋分數化的實驗證據。這些研究人員用中子照射RuCl₃來測試它的晶體磁性，并在屏幕上觀察到由中子產生漣漪圖案。

一個正常的磁鐵會有明顯的峰，而神秘的地方就在于馬約拉納費米子于量子自旋液體中會像什么，理論預測中的顯著特性是由Knolle和他的合作搭檔所提出，在2014年他們將其與實驗中觀察到的結果成功地配對，提供了第一手的量子自旋液體以及其在二維材料中電子分數化的證據。

Knolle教授說：「這對有限的量子態領域來說又是一大新突破」。

「這項發現使得我們又更加理解量子領域的問題。」Kovrizhin教授說：「認知到另外一種我們從未見過的新量子態是一件非常有趣的事情，它更多地賦予我們去挑戰創新的可能。」

這項成果發布在Nature Materials雜志上。

原文參考地址：New state of matter detected in a two-dimensional material

本文由編輯部王宇提供素材，洪聖哲編譯。