50 年前預測的新物質狀態,科學家首度製造出「量子自旋液體」

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 08 日 10:20 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


經過 50 年探索,哈佛物理學家團隊終於記錄到凝聚態物理學中預測的新物質狀態,稱為量子自旋液體(quantum spin liquid)。研究人員能實際操縱這種奇異狀態以了解相關量子特性,有朝一日更可推進製造出更強大的量子電腦技術。

雖然名為量子自旋液體(quantum spin liquid),但這種狀態其實與水、飲料等日常可見液體無關聯,而是普林斯頓物理學家菲利普·安德森(Philip Anderson)於 1973 年首次預測的一種物質相,與低溫環境下磁鐵永不凍結的磁矩及當中電子旋轉方式有關。

首先我們要了解一般磁鐵的工作原理:一般磁性材料由許多具穩定磁矩的原子或小原子集團構成,隨著磁矩之間相互作用而產生磁性,一類為鐵磁相互作用:兩個相鄰的磁矩排成同一方向;另一類是反鐵磁相互作用:相鄰的磁矩排成相反方向。

在普通磁鐵中,當溫度下降到某個點,電子會穩定下來並形成具磁性的固體物質;但在量子自旋液體中,電子無法以規則、穩定的方式排列磁矩,且不會形成固體,最後變成在複雜的量子態中不斷糾纏和切換,就像液體一樣。

物理學家預測這種行為會引起許多有趣現象,且其特性可用於推進高溫超導體、量子電腦等量子技術,但儘管理論趨於完善,50 年來仍沒有真實例子可以讓科學家觀摩量子自旋液體。

直到現在,由哈佛大學領導的一組團隊首次創造並觀察到了量子自旋液體。

研究人員利用稱為「可編程量子模擬器(programmable quantum simulator)」的特殊量子電腦,以雷射將 219 個銣原子各自保持在三角形晶格中,也就是說每個原子都有 2 個鄰居,因此其中一對電子磁矩可對齊並維持穩定,但第三個電子的加入會破壞這種平衡。

而從實驗中原子糾纏聯繫結果來看,團隊表示確實由此形成了具量子糾纏特性的量子自旋液體,比如糾纏和量子疊加,前者指 2 個原子就算距離很遠也能相互影響甚至互相傳送訊息,後者指原子可同時以多種狀態存在。

從這項研究中學到的知識,有朝一日可以替科學家設計出更好的量子材料。更具體地說,來自量子自旋液體的奇異特性可能是創造更強大量子位元的關鍵──被稱為拓撲量子位元,能抵抗噪音和外部干擾。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:pixabay

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