量子力學更怪了: 物理學家觀察到量子物質的一個新形態

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科學帽已經準備好: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

物理學家剛剛觀察到一個實質材料的一個神祕物質形態,這個形態在40年前第一次被預測。如果你認為量子力學不能夠再更怪異了,請再想想看。

一個國際小組第一次觀察到量子自旋液體(quantum spin liquid),一種電子分裂的形態,並且以一種難以理解的方式表現。電子在典型的磁性材料上排列得很好,當這個材料被降溫到絕對零度時。但在量子自旋液體,電子就不是井然有序的。

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劍橋卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)暨論文共同作者之一的Johannes Knolle博士,在一份聲明中說:"這是物質的一個新的量子形態,過去曾被預測但沒有看見。" 就其本身而言,它應該被注意到它不是真的"液體"。確實如此,這個名稱指出了電子並沒有如同它們應該要排列地排列在一起。

電子被認為是基本的不可分割粒子,但它們也能夠藉由兩個被束縛在一起的準粒子(quasiparticle),以數學方式描述;一個代表自旋,另一個代表電荷。準粒子是電子扮演獨立粒子必要的基本特性,雖然他們不能自由地在空間移動。

在量子自旋液體中,自旋準粒子和電荷準粒子能夠互相地獨立移動,然後電子分裂。自由的自旋準粒子也是一個馬約拉納費米子(Majorana fermion),一種好奇的興奮就是它是自己的反粒子。第一個馬約拉納費米子才在去年10月被發現

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論文共同作者的Dmitry Kovrizhin博士說:"我們甚至不知道量子自旋液體的實驗特徵(experimental fingerprints)看起來像什麼,直到最近。一件我們在之前研究做過的事,是問如果我能在一個可能是量子自旋液體做實驗,我會看到什麼。"

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這個新形態是在釕氯化物(RuCl3)的結晶體上觀察到。橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的研究小組射擊在結晶體上的中子,並且觀察它的磁特性。成果發表於自然材料雜誌(Nature Materials)

Knolle說:"這是已知的物質量子形態簡表的一個新增加物。"

Kovrizhin補充:"在我們對量子物質的了解,這是很重要的一步。有另一個我們以前從未看過的新的量子形態是很有趣的,它呈現給我們嘗試新事物的新的可能性。"

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量子自旋液體的了解,可能對室溫超導體和量子電腦很重要,量子自旋液體可能甚至被當作量子電腦的記憶儲存。

來源: Iflscience