诺贝尔奖获得者首次预测的新量子自旋液体

1987年,诺贝尔物理学奖获得者保罗·W·安德森(Paul W. Anderson)提出,高温超导或电阻损失与现在称为量子自旋液的外来量子态有关。磁性材料由非常微小的磁体组成,可以与单个电子一样小。这些的强度和方向由磁矩描述。在量子自旋液体中,磁矩表现得像液体,即使在绝对零度下也不会冻结或排序。这些量子态正在被研究作为新的,所谓的拓扑量子计算机的有希望的材料,其中操作基于量子自旋液体中发现的粒子状激发态。除了大的计算能力,拓扑量子计算机的特点是高容错性,这使得增加计算机的大小成为可能。然而,到目前为止,仅鉴定了几种适用于拓扑量子计算机的量子自旋液体。

调整Aalto开发的材料的磁性的方法使得能够制备新的量子旋转液体。

现在,来自阿尔托大学,巴西物理研究中心(CBPF),不伦瑞克技术大学和名古屋大学的研究人员首次研制出安德森预测的超导体状量子自旋液体。这是了解超导体和量子材料的重要一步。量子旋转液的制备是通过一种新方法来实现的,该方法是由阿尔托大学化学家开发的一种定制磁性材料特性的方法。研究结果发表在Nature Communications上。

高温超导体是铜氧化物,其中铜离子形成正方形晶格,使得相邻的磁矩面向相反的方向。当通过改变铜的氧化态来扰乱该结构时,该材料变为超导的。在现已发表的新研究中,这种方形结构的磁相互作用被具有d10和d0电子结构的离子修饰,这使得材料变成量子旋转液体。

“未来,这种新的d10 / d0方法可用于许多其他磁性材料,包括各种量子材料,”阿尔托大学的博士候选人Otto Mustonen设想。

无缝合作

量子旋转液体的经验检测很困难,需要广泛的研究基础设施。

“我们在这项研究中使用了μ子自旋光谱。这种方法是基于非常短暂的电子样基本粒子(称为μ介子)与被研究材料的相互作用。该方法可以检测量子中非常弱的磁场材料,“不伦瑞克技术大学的F. Jochen Litterst教授说。测量在瑞士的Paul Scherrer研究所进行。

“除了顶级设备外,研究还需要化学家和物理学家之间的无缝合作,”Maarit Karppinen教授强调说。“未来我们将需要相同的国际多学科方法,以便对量子自旋液体的研究可以引导我们实现拓扑量子计算机的实验。”