在量子自旋液体中发现电子双重性质的新证据

 

普林斯顿大学领导的实验结果支持了一个有争议的理论，即电子是由两个粒子组成的。天富代理分红

 

普林斯顿大学领导的一项新发现可能颠覆我们对量子材料中电子在极端条件下行为的理解。这一发现提供了实验证据，证明这种常见的物质组成部分似乎是由两种粒子组成的:一种粒子给电子带负电荷，另一种粒子提供类似于磁铁的性质，即自旋。

 

“我们认为这是自旋-电荷分离的第一个确凿证据，”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授、本周在《自然物理》杂志上发表论文的资深作者奈Phuan Ong说。

 

 

这一实验结果实现了几十年前做出的一个预测，即解释最令人费解的物质状态之一——量子自旋液体。在所有的材料中，电子的自旋可以指向上或指向下。在我们熟悉的磁铁中，当温度低于某个临界温度时，所有的自旋都均匀地指向一个方向。

 

然而，在自旋液体材料中，即使冷却到非常接近绝对零度，自旋也无法建立统一的模式。相反，旋转在一种紧密协调、纠缠的舞蹈中不断变化。其结果是一个最纠缠的量子态的构想，一个巨大的兴趣的状态，研究人员在不断增长的量子计算领域。天富代理主管

 

量子自旋液体态的热导率

 

三维彩色图是许多实验的合成，显示了热导度κxx(纵轴)如何随磁场B(横轴)和温度T(纵轴进入页面)的变化。振荡为自旋提供了证据。资料来源:普林斯顿大学彼得·扎伊卡

 

为了从数学上描述这种现象，诺贝尔奖得主、普林斯顿大学物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson, 1923-2020年)提出了一种解释，他在1973年首次预测了自旋液体的存在:在量子状态下，一个电子可以看作是由两个粒子组成的，一个带电子的负电荷，另一个包含电子的自旋。安德森称这种含自旋的粒子为自旋。

 

在这项新的研究中，研究小组在由钌和氯原子组成的自旋液体中寻找自旋的迹象。在绝对零度(或大约-452华氏度)以上几分开尔文的温度和高磁场的存在下，氯化钌晶体进入自旋液体状态。

 

2020年研究生Peter Czajka和Tong Gao博士将三个高灵敏度的温度计与晶体连接在一个温度接近绝对零度的浴缸中。然后，他们将磁场和少量热量应用到一个晶体的边缘，以测量其热导率，这个量表示它传导热电流的程度。如果自旋存在，它们应该在热导率与磁场的关系图中以振荡的形式出现。

 

他们寻找的振荡信号非常微小——只有百分之几度的变化——所以测量需要非常精确地控制样本温度，以及在强磁场中仔细校准温度计。

 

该团队使用了目前可用的最纯净的晶体，这些晶体生长在美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)，由田纳西大学诺克斯维尔分校材料科学教授大卫·曼德鲁斯(David Mandrus)和ORNL中子散射部门企业研究员斯蒂芬·纳格勒(Stephen Nagler)领导。ORNL团队广泛研究了氯化钌的量子自旋液体性质。

 

在近三年的一系列实验中，Czajka和Gao发现了与自旋相一致的温度振荡，自旋的分辨率越来越高，这为电子是由两个粒子组成提供了证据，这与Anderson的预测一致。

 

“人们已经寻找这个特征40年了，”Ong说，“如果这个发现和自旋解释被证实，它将显著推进量子自旋液体领域。”

 

去年夏天，Czajka和Gao在新冠肺炎疫情限制下确认了实验，要求他们戴口罩并保持社交距离。

 

“从纯实验的角度来看，”Czajka说，“看到结果实际上打破了你在基础物理课上学到的规则，这是令人兴奋的。”