科学家实验模拟出量子自旋液体

科学家实验模拟出量子自旋液体字体：小中大分享到：科学家实验模拟出量子自旋液体2021-12-03 08:31:12来源：科技日报

1973年，1965年诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森(philip warren anderson)首次提出了一种新的物质状态——量子自旋液体。其不同的性质在高温超导、量子计算机等量子技术领域具有广阔的应用前景。但问题是，没有人见过这种物质状态，至少在过去的50年里。现在，由哈佛大学领导的物理学家团队表示，他们终于通过实验模拟并分析了这种奇怪的物质状态。相关论文发表在《科学》杂志第2期。这一成果标志着人们对量子自旋液体的神秘本质有了新的认识，向按需创造这种难以捉摸的状态迈进了一大步。

自旋液体与水等日常液体无关，而是与磁铁和电子旋转的方式有关。在普通磁铁中，当温度降到一定温度以下时，电子就会稳定下来，形成磁性固体物质。在量子自旋液体中，电子在冷却时是不稳定的，不会形成固体，和液体一样不断变化波动。

研究人员表示，从这项研究中学到的知识有一天可能有助于设计更好的量子材料和技术。更具体地说，量子自旋液体的奇异性可能是创造更稳定的量子比特(拓扑量子比特)的关键，这种量子比特有望抵抗噪声和外部干扰。学习如何创建和使用这样的拓扑量子位意味着向实现可靠的量子计算机迈出了重要的一步。

研究小组使用可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质的状态。模拟器是一种特殊的量子计算机，允许研究人员创建正方形、蜂窝状或三角形晶格等可编程的形状，从而设计超冷原子之间不同的相互作用和纠缠。

在传统的磁铁中，电子按照一定的规则向上或向下旋转。例如，在日常使用的冰箱磁铁中，旋转都指向同一个方向。这是因为旋转通常以棋盘模式工作，可以配对，使它们指向相同或相反的方向，并保持一定的顺序。

自旋液体不显示这样的磁有序。这是因为，本质上，它增加了第三次旋转来将棋盘图案转换成三角形图案。虽然一对电子总是可以稳定在一个方向或另一个方向，但在三角形中，第三个自旋总是奇数，这就形成了一个受抑自旋系统，使得电子自旋在一个方向上不稳定。

研究人员使用模拟器创建了这种挫折系统的晶格模式，并将原子放在相应的位置上进行相互作用和纠缠。在整个结构被纠缠之后，他们可以测量和分析连接原子的弦——这些弦被称为拓扑弦。拓扑弦的存在及其分析表明量子自旋液体已经出现。

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