导语：量子的自旋是一种神秘现象，我们至今也没能对其有彻底了解。如今，科学家在某些特定材料中发现了量子自旋液态现象。这一发现，也许有助于推动人们对自旋的理解。
关键词：磁性 量子自旋
磁性是人们最早认识到的材料性质。公元前3世纪的记录中就有如何用磁铁这种天然带磁性的铁矿石制作原始的指南针。今天，得益于量子力学中的理论，自旋的概念解释了像金属中的电子这类基础粒子的行为是如何变得有磁性的，我们终于理解了磁性的本质。
自旋，这是属于亚原子微粒如电子、夸克等粒子的性质。它使得每一个单独的电子都表现得像微小的罗盘里的指针。成千上万的电子在一块材料中以多种方式相互作用，形成了我们在固态物质中发现的不同可能的磁性状态。一块物质中如此多的电子一起自旋，使物质本身获得了同样的磁性。
现代模型里，磁力是维持物体状态的基本力：磁性材料组成了基本的现代粒子，并被用来储藏信息。意识到这一点以后，科学家们一直在努力发掘各种材料全新的磁表现和前所未有的很可能使人们获益的物质新状态。
早在20世纪70年代，诺奖得主、理论物理学家PW Anderson就首次提出了量子自旋液的概念。美国橡树岭国家实验室由Stephen Nagler主导的一个研究小组已经在《自然－材料》杂志中发表论文证明了磁性三氯化钌(α-RuCl?)中量子自旋液特性。
量子自旋液是怎样形成的？
量子自旋液常常在磁性阻挫材料中被发现。在传统的磁体中，自旋量子间的相互作用使磁体维持在稳定状态，也就是我们所知的长程有序。在长程有序状态下，每一个独立电子的磁极方向都是规则排列的。
但在阻挫磁体里，电子自旋这个特性阻止了电子形成有序排列，这还导致他们在一种波动的、类似液体的状态里彼此碰撞。在一个确定的液态量子自旋中，电子的自旋并不规则，即使是在接近绝对零度的低温下也在持续波动。
Herbertsmithite矿石，其中存在量子自旋液 图片来源：Rob Lavinsky/iRocks.com, CC BY-SA
量子自旋液的形成条件在自然界很容易被找到。最出名的例子就是铜基矿物Herbertsmithite。这种矿物是液态量子自旋的确存在于形成它的铜离子的阻挫磁体层中的重要证据。
我们是在哪发现量子自旋液的？
在实验室里实现人工制造理想量子自旋液材料的条件以便更全面地了解量子自旋液的特性，这对所有的科学家来说都是一个挑战。
量子自旋液模糊的特性使得证实它们的存在和找出它们的确切性质成为臭名昭著的难题。量子自旋液的存在可以从电子自旋的不整齐排列中推断出来，但决定性的证明就像个玩笑：证明的缺失不证明缺失，跟谚语里说的一样。一种更精巧的证明办法是去揭示更多量子自旋液的独特特性来为有效证明做准备。
这就是为什么Nagler的研究非常值得关注。在使用中子光谱学进行分析的实验中，研究小组用α-RuCl?实现了非常接近量子自旋液其中一种独特的性质，叫做Kitaev自旋液。形成这种特殊量子自旋液状态的其中一个先决条件就是磁性钌离子的自旋形成了阻挫的蜂巢结构：一层的二维六边形结构，与石墨中的碳原子排列相似。
在他们的实验中，粒子加速器产生的一束中子被α-RuCl?样本散射，交换中子与样本之间的能量。环绕样本的许多探测器定量测量了这种能量转变，观测结果符合为解释Kiaev量子自旋液中而发展出的理论。
我们能用量子自旋液来做什么？
我们认识到，量子自旋液以好几种状态出现，他们的性质有所区别，但都能实现特殊的量子力学现象。不仅仅是从一个科学家的视角，以普通人的角度来看，这也相当让人振奋：这些状态可以用来发展量子计算机和其他形式的量子技术，它们能在21世纪里为加工和储存数据带来革命性改变。
在未来的量子计算时代中，我们能够执行今天最强大的超级电脑也无法做到的计算。在那些让我们面临最大的挑战的领域里，量子计算会带来一系列突破性进展，从药物制造到主机的一系列运用中的智能材料设计。随着我们对量子态液体材料的发现和对它们行为的了解，我们将能分解更特殊的物理现象，也会有更多操纵这种奇异物质态的方法为我们所用。
作者简介：Lucy Clark是圣安德鲁化学学院的一名材料化学家。研究主要是发现新的量子磁体。虽然Lucy Clark对材料进行仔细研究，但也尝试对材料中展现的令人着迷的磁性行为有更细致的理解。在来到圣安德鲁大学以前，Lucy Clark曾作为一名博士后在麦克马斯特大学的物理天文学院工作。在那里他学会了应用中子散射技术来探索物质的性质。2013年，Lucy Clark在Paul Attfield FRS 教授的指导下完成了毕业论文并在爱丁堡大学获得了PhD学位。
翻译：叶紫微；审校：李昱
本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。
原文链接[科学美国人博客]：
https://theconversation.com/a-new-state-of-matter-quantum-spin-liquids-explained-58006
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