磁性材料被認為是量子自旋液體的來源，因其具有揭示奇異物質狀態和推進量子計算的潛力而受到廣泛關注。然而，它們在量子世界中的出現可能會產生誤導。一項新研究發表於 科學進步 萊斯大學戴鵬程領導的研究表明，六鋁酸鎂鎂（CeMgAl11哦19）曾經被認為屬於這一罕見類別。它實際上不是量子自旋液體。
「這種材料被歸類為量子自旋液體，因為有兩個特性：觀察到的連續狀態和缺乏磁有序性，」共同第一作者、萊斯大學的研究科學家 Pinkao 說。 “但對材料的更仔細觀察表明，這些觀察的真正原因不是量子自旋液相。”
磁態如何表現？
用於 CeMgAl 等絕緣材料11哦19磁性離子（例如鈰）可以使用兩種排列之一：鐵磁或反鐵磁。在鐵磁狀態下離子排列方向相同。每個離子都會鼓勵其鄰居也這樣做。在反鐵磁狀態下，附近的離子指向相反的方向。導致不同的排序模式
科學家可以透過將材料冷卻到接近絕對零度的溫度來觀察這些排列。在這些條件下，傳統材料以單一穩定的低能量狀態存在。這是因為所有離子都以相同的方式排列。因此，研究者常常只能看到一個輪廓。
是什麼讓量子自旋液體與眾不同？
量子自旋液體的行為非常不同。它們不是陷入單一靜態，而是透過量子效應在多個低能態之間連續切換。這導致可觀察狀態的擴散或連續體，而不是單一狀態。這也導致缺乏磁排序。這是因為鐵磁和反鐵磁趨勢可以同時出現。
矽鎂鋁11哦19 它展示了這兩個重要的屬性。它缺乏清晰的磁序列並表現出連續狀態。這最初指向量子自旋流體，然而，仔細觀察發現了不同的解釋。觀察到的連續體來自於鐵磁和反鐵磁相互作用的競爭引起的狀態惡化。不是來自量子行為
「我們對這份文件很感興趣。它有許多我們以前從未見過的特性，」共同第一作者、萊斯大學的研究科學家陳東說。 “它不是量子自旋液體。但我們正在觀察我們認為與量子自旋液體相關的行為。”
微妙的磁力競爭
為了揭示到底發生了什麼，團隊使用中子散射以及其他精確測量。他們發現這種材料中鐵磁和反鐵磁行為之間的界限異常薄弱。這使得磁性離子可以在兩種狀態之間更自由地移動。而不是鎖定單一格式
因此，在同一結構中，一些離子表現出電磁性，而另一些離子則表現出反鐵磁性。這種混合排列可以防止系統創建單一有序的狀態。相反，它創建了許多可能的低功耗配置。當冷卻到接近絕對零度時，材料可以以這些格式之一排列。這導致了一系列可觀察的狀態，類似於量子自旋流體中看到的連續體。然而，與真正的量子自旋流體不同，當材料落到單一狀態時，材料會保持在那裡並且不會在狀態之間發生變化。
「材料在不同低能量狀態之間『選擇』的獨特能力。這使得觀測數據與量子自旋液態非常相似，」該研究的通訊作者戴說。 “這是我們所知的一種新的物質狀態。我們是第一個做出解釋的人。”
量子複雜性的提醒
這項發現凸顯瞭如何形成複雜且令人驚訝的磁性系統。即使材料符合量子態的預期特徵，基礎物理學可能會講述不同的故事。
戴補充道：這種獨特的材料很好地提醒我們，我們對量子領域還有多少了解。 “這強調了仔細觀察和徹底審查數據的重要性。”
研究經費和支持
萊斯大學的中子散射和交流磁化率工作得到了美國能源部基礎能源科學的支持。 （DE-SC0012311、DE-SC0026179）單晶生長工作得到了 Robert A. Welch 基金會 (C-1839) 的支持。羅格斯大學 BG、XX 和 SWC 的晶體生長得到了量子材料合成中心訪問計畫的支持。它由戈登和貝蒂摩爾基金會的 EPiQS 計劃 (GBMF6402) 和羅格斯大學資助。 CL 和 LB 所做的理論工作得到了美國能源部、科學辦公室、BES (DE-FG02-08ER46524) 和西蒙斯超量子物質合作組織的支持。研究人員透過量子系統中的緊急現象計畫獲得了戈登和貝蒂摩爾基金會的支持；國家自然科學基金（12204160）；韓國科學技術通訊部國家研究基金會（2022M3H4A1A04074153）；和韋爾奇基金會 (AA-2056-20240404) JMLFC202B4202B320242024320202 20202020202 202402 202402 202402 202402 2024 單位單位) JALF-K這項研究使用散裂中子源的資源，散裂中子源是美國能源部科學用戶設施辦公室，由橡樹嶺國家實驗室營運。
