在物理学中首次观察到量子自旋液体

经过50年的探索，物理学家们终于观测到了一种新的物质状态量子自旋液体．

“这在该领域是一个非常特殊的时刻，”物理学家米哈伊尔·卢金说，他是哈佛量子计划(HQI)的联合主任，也是该计划的资深作者这项研究在科学．

“你真的可以触摸、戳和戳这种奇异的状态，并操纵它来了解它的属性……这是一种人们从未能够观察到的物质新状态。”

量子自旋液体最早是由诺贝尔奖得主、物理学家菲利普·w·安德森在1973年提出的理论，由于其潜在的应用于量子计算和高温超导．

现在，由哈佛大学领导的研究人员终于用实验证明了物质的这种新状态。

他们开始使用HQI实验室的可编程量子模拟器来寻找它。这是一种特殊的量子计算机，它可以创造正方形、蜂巢或三角形晶格等形状，进而可以设计超冷原子之间的各种相互作用。它允许研究人员在量子尺度上再现物理学，研究产生的复杂过程，并控制它们。

同样来自哈佛大学的合著者Subir Sachdev解释说:“你可以把原子移动到你想要的最远的地方，你可以改变激光的频率，你可以以一种你在早期研究这些东西的材料中无法做到的方式改变自然的参数。”

“在这里，你可以看到每个原子，看看它在做什么。”

该团队利用这个模拟器创造了一种量子自旋液体。

量子自旋液体到底是什么?

物质的这种状态实际上与液体一点关系都没有——它围绕着磁性，以及磁铁是如何冻结的(很奇怪)。

当一块普通的磁铁冷却到一定程度时，它的电子就会稳定下来，形成一块具有磁性的固体物质。但量子自旋液体具有磁性，即使它的电子不稳定，也不会形成固体;相反，它的原子会纠缠在一起，物质会波动和变化。

为了理解其中的原因，让我们回过头来理解磁铁是如何工作的。

磁性的产生是因为电子的一种叫做自旋的特性，它使每个电子都像一个微小的指南针。材料中的数百万个电子自旋以各种方式相互作用，并稳定在不同的磁态，从而赋予材料磁性。

在一个普通的磁铁中——就像你冰箱上的磁铁一样——所有的电子自旋在材料冷却时排成一列，形成像棋盘一样的大尺度图案。这些图案有点像许多固体形成的晶体结构。

但量子自旋液体的顺序不同。不同于电子自旋配对并帮助彼此排列，就像冰箱贴一样，它添加了第三个自旋，创造出一个三角形的图案或晶格。

这阻止了自旋在任何特定方向上的稳定，即使当材料变得非常冷——甚至在绝对零度。这被称为“受挫”磁铁，因为它不能固定:三个电子不断地迫使彼此改变自旋方向。

量子自旋液体是如何产生的?

产生量子自旋液体的条件通常存在于自然界中，比如在矿物的铜离子磁性层中Herbertsmithite．但是，在实验室中按需合成这种物质状态对于全面了解其性质至关重要，而科学家们直到现在都未能做到这一点。

现在，研究人员已经使用量子模拟器创建了一个晶格模式，然后把原子放在其中，观察它们相互作用和缠绕．观察连接纠缠结构的“弦”表明物质的量子液体自旋态已经出现。

根据研究人员的说法，量子自旋液体的特性可能是创造量子比特的关键，量子比特是量子计算机的组成部分，不受噪声或干扰的影响。

“这是量子计算领域的一个梦想，”来自哈佛大学的该研究的主要作者朱利亚·塞梅基尼(Giulia Semeghini)说。“学习如何创建和使用这种拓扑量子位将代表着向实现可靠的量子计算机迈出的重要一步。”

通过他们的模拟器——量子位元可以通过在一个特定的几何阵列中放置量子自旋液体来产生。

Semeghini说:“我们展示了如何创建这个拓扑量子位的第一步，但我们仍然需要演示如何实际编码和操作它。”“现在有更多的东西需要探索。”