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物質新形態 “量子自旋液態”

據“科學報告”網站(sciencealert.com)報導,研究人員剛剛在一種現實材料中發現了一種神秘的物質新形態證據。該形態被稱為“量子自旋液態”(quantum spin liquid),它造成電子被分割成更小的準粒子。而目前電子則是物質基本微粒,是物質不可分割的組成部分。

40年前,科學家們首先預測在某些磁性材料中存在著這種物質形態。儘管對其存在有多個線索,他們卻從來沒有能夠在自然界中發現其存在的證據。所以,他們現在能夠在二維石墨烯(graphene)狀物質中觀察到“量子自旋液態”以及伴隨它的離奇“費米子”(fermions)真是令人感到非常興奮。

英國劍橋大學的研究人員約翰內斯•諾爾(Johannes Knolle)說:“這是一種已經被預言過但一直沒有見過的新量子態。”

“量子自旋液態”

科學家觀察到其最吸引人的特性—“電子分層分離”(electron fractionalisation)和在量子自旋狀態(quantum spin state)下的電子分裂而成的“馬約拉納費米子”(Majorana fermions) ,從而在材料中發現“量子自旋液態”的證據。由於這些“馬約拉納費米子”可以作為量子計算機的基石,所以這個發現令人興奮。

需要明確的是,電子實際上並沒有分裂成更小的實物粒子(即意味著全新的粒子)。實際上所發生​​的情況是這種物質的新形態分割了電子,使之成為準粒子(quasiparticles)。這些不是真正的顆粒,而是物理學家用來解釋和計算粒子奇怪行為的概念。

在含有“量子自旋液態”狀態的材料中,即使磁性材料被冷卻到絕對零度時,電子由於不能排列整齊,從而因為量子波動而引起相互糾纏。

一名研究人員Dmitry Kovrizhin說:“直到最近,我們甚至都不知道具有'量子自旋液態'實驗對象的樣子。需要提出的一個問題是,如果曾經可能進行了'量子自旋液態'的實驗,我應該觀察到了什麼?”

量子計算機

為了弄清楚事情的原委,研究人員們與美國田納西州“橡樹嶺國家實驗室”(Oak Ridge National Laboratory)的一個團隊一起工作,利用“中子散射技術”(neutron scattering techniques)在類似於三氯化釕(alpha-ruthenium chloride)的材料中尋找“電子分層分離”的證據。這種材料在結構上類似於石墨烯材料。

諾爾說:“這是對已知物質量子態簡短名單的一個新補充。”

Kovrizhin補充說:“這是我們理解量子問題很重要的一步。這種樂趣在於,我們發現了另一種新的、以前從來沒有見過的量子狀態,它為我們提供了嘗試新事物的新可能性。”

其中一些新的東西涉及到“量子計算機”(quantum computers),這種計算機將比普通電腦成倍的快。儘管這一切聽起來很理論化,但實際上有一些非常令人興奮的應用潛力。

這個研究結果已發表在《自然材料》(Nature Materials)期刊上。

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