北京時(shí)間 8 月 21 日消息，據(jù)報(bào)道，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用中子散射判斷了一種特殊材料的原子結(jié)構(gòu)能否承載一類名叫“螺旋旋轉(zhuǎn)液體”的新型物態(tài)。通過(guò)追蹤層狀氯化鐵磁體蜂窩狀晶格中名為“自旋”現(xiàn)象的微小磁矩，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)能夠容納該物態(tài)的二維系統(tǒng)。
▲ 中子散射實(shí)驗(yàn)揭露了氯化鐵中的自旋關(guān)聯(lián)情況，提供了螺旋自旋液態(tài)存在的證據(jù)，圖為藝術(shù)家繪制的概念圖。
這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)針對(duì)物理現(xiàn)象的研究奠定了測(cè)試基礎(chǔ)，或?qū)⑼苿?dòng)新一代信息技術(shù)的發(fā)展，包括“分形子”和“斯格明子”。分形子為集體的量子化振動(dòng)，在量子計(jì)算領(lǐng)域頗有發(fā)展前景。斯格明子則是一種新型磁性自旋紋理，可能會(huì)促進(jìn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步。
“能夠容納螺旋自旋液體的物質(zhì)尤其令人激動(dòng)，因?yàn)樗鼈兙哂猩闪孔幼孕后w、量子紋理、以及分形子激發(fā)的潛力。”此次研究帶頭人、橡樹(shù)林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高尚（音譯）表示。
早有理論預(yù)測(cè)，蜂巢狀晶格中可以容納螺旋自旋液體。在這種新型物態(tài)中，自旋可以形成不斷波動(dòng)的螺旋開(kāi)瓶器狀結(jié)構(gòu)。
但直至此次研究之前，科學(xué)家始終未能找到二維系統(tǒng)中存在該物態(tài)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。二維系統(tǒng)由層狀晶體物質(zhì)構(gòu)成，其中平面方向上的相互作用比疊加方向上的要強(qiáng)。
這條理論是十幾年前提出的。高尚認(rèn)為，氯化鐵可以作為該理論的測(cè)試平臺(tái)。他和此次研究的共同作者安德魯?克里斯蒂安森一起找到了橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事邁克爾?麥圭爾（此人在二維材料的培養(yǎng)和研究方面頗有建樹(shù)），請(qǐng)他為中子衍射測(cè)量合成一份氯化鐵樣本。就像二維石墨烯在塊狀石墨中以蜂巢狀碳單質(zhì)晶格的形式存在一樣，二維的層狀鐵在塊狀鐵中同樣以蜂巢狀單層的形式存在。“此前曾有報(bào)告暗示，這種有趣的蜂巢狀物質(zhì)在低溫下可以表現(xiàn)出復(fù)雜的磁性行為?！?/p>
“每一層蜂巢狀鐵的上下兩側(cè)都有氯原子，構(gòu)成了‘氯-鐵-氯’的夾板結(jié)構(gòu)。”麥圭爾解釋道，“每層夾板頂部的氯原子與上一層夾板底部的氯原子僅通過(guò)范德華力相連，二者之間的相互作用很弱，因此像這樣的材料很容易剝成一層層薄片，最薄可至單層‘夾板’。這種特性很適合用于設(shè)備開(kāi)發(fā)，也有助于我們理解量子物理從三維到二維的演變。”
在量子材料中，電子自旋表現(xiàn)分為“集體”和“奇異”兩種。假如一個(gè)自旋發(fā)生變動(dòng)，所有自旋都會(huì)做出反應(yīng)，即愛(ài)因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”的糾纏態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)處于“阻挫”狀態(tài) —— 這種液體能夠保持無(wú)序狀態(tài)，因?yàn)殡娮幼孕恢痹诓粩嘧儞Q方向，迫使其它處于糾纏態(tài)的電子隨之發(fā)生漲落。
60 年前，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了首次氯化鐵晶體的中子衍射研究。如今，該實(shí)驗(yàn)室在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像及計(jì)算等方面已經(jīng)具備了高度專業(yè)性，借此在磁性量子材料領(lǐng)域開(kāi)展了開(kāi)創(chuàng)性的探索工作，而這些材料將促進(jìn)新一代信息安全與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。
此次能成功測(cè)繪螺旋自旋液體中的自旋運(yùn)動(dòng)情況，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室散列中子源及高通量同位素反應(yīng)堆的專家與工具發(fā)揮了重要作用。高尚表示：“我們從散列中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的測(cè)定結(jié)果中獲得的中子散射數(shù)據(jù)為螺旋自旋液態(tài)的存在提供了關(guān)鍵證據(jù)?！?/p>
“通過(guò)中子散射實(shí)驗(yàn)，我們了解了中子與樣本之間是如何進(jìn)行能量與動(dòng)量交換的，從而得以推斷出它們的磁特性?！贝舜窝芯康墓餐髡唏R修?斯通表示。他是這樣描述螺旋自旋液體的磁性結(jié)構(gòu)的：“它看上去像是一張山脈等高線圖，四周圍繞著一圈圈環(huán)線；如果你沿著環(huán)線行走，所有自旋都指向同一方向；但如果你開(kāi)始向外走、跨過(guò)不同的環(huán)線，這些自旋就會(huì)開(kāi)始圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。這就是‘螺旋’一詞的來(lái)源?！?/p>
“我們的研究顯示，螺旋自旋液體在蜂巢狀晶格材料中是有可能存在的。”安德魯?克里斯蒂安森指出，“這為科學(xué)界提供了一條探索自旋紋理和新激發(fā)態(tài)的新途徑，例如分形子等等。這些發(fā)現(xiàn)或能在未來(lái)得到應(yīng)用，比方說(shuō)量子計(jì)算技術(shù)?！?/p>
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