磁性量子材料为下一代信息技术提供了探索平台

北京时间 8 月 21 日消息，据报道，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们利用中子散射判断了一种特殊材料的原子结构能否承载一类名叫“螺旋旋转液体”的新型物态。通过追踪层状氯化铁磁体蜂窝状晶格中名为“自旋”现象的微小磁矩，该团队发现了首个能够容纳该物态的二维系统。

▲ 中子散射实验揭露了氯化铁中的自旋关联情况，提供了螺旋自旋液态存在的证据，图为艺术家绘制的概念图。

这一发现为未来针对物理现象的研究奠定了测试基础，或将推动新一代信息技术的发展，包括“分形子”和“斯格明子”。分形子为集体的量子化振动，在量子计算领域颇有发展前景。斯格明子则是一种新型磁性自旋纹理，可能会促进高密度数据存储技术的进步。

“能够容纳螺旋自旋液体的物质尤其令人激动，因为它们具有生成量子自旋液体、量子纹理、以及分形子激发的潜力。”此次研究带头人、橡树林国家实验室的高尚（音译）表示。

早有理论预测，蜂巢状晶格中可以容纳螺旋自旋液体。在这种新型物态中，自旋可以形成不断波动的螺旋开瓶器状结构。

但直至此次研究之前，科学家始终未能找到二维系统中存在该物态的实验证据。二维系统由层状晶体物质构成，其中平面方向上的相互作用比叠加方向上的要强。

这条理论是十几年前提出的。高尚认为，氯化铁可以作为该理论的测试平台。他和此次研究的共同作者安德鲁・克里斯蒂安森一起找到了橡树岭国家实验室的同事迈克尔・麦圭尔（此人在二维材料的培养和研究方面颇有建树），请他为中子衍射测量合成一份氯化铁样本。就像二维石墨烯在块状石墨中以蜂巢状碳单质晶格的形式存在一样，二维的层状铁在块状铁中同样以蜂巢状单层的形式存在。“此前曾有报告暗示，这种有趣的蜂巢状物质在低温下可以表现出复杂的磁性行为。”

“每一层蜂巢状铁的上下两侧都有氯原子，构成了‘氯-铁-氯’的夹板结构。”麦圭尔解释道，“每层夹板顶部的氯原子与上一层夹板底部的氯原子仅通过范德华力相连，二者之间的相互作用很弱，因此像这样的材料很容易剥成一层层薄片，最薄可至单层‘夹板’。这种特性很适合用于设备开发，也有助于我们理解量子物理从三维到二维的演变。”

在量子材料中，电子自旋表现分为“集体”和“奇异”两种。假如一个自旋发生变动，所有自旋都会做出反应，即爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”的纠缠态。此时系统处于“阻挫”状态 —— 这种液体能够保持无序状态，因为电子自旋一直在不断变换方向，迫使其它处于纠缠态的电子随之发生涨落。

60 年前，橡树岭国家实验室开展了首次氯化铁晶体的中子衍射研究。如今，该实验室在材料合成、中子散射、模拟、理论、成像及计算等方面已经具备了高度专业性，借此在磁性量子材料领域开展了开创性的探索工作，而这些材料将促进新一代信息安全与存储技术的发展。

此次能成功测绘螺旋自旋液体中的自旋运动情况，橡树岭国家实验室散列中子源及高通量同位素反应堆的专家与工具发挥了重要作用。高尚表示：“我们从散列中子源和高通量同位素反应堆的测定结果中获得的中子散射数据为螺旋自旋液态的存在提供了关键证据。”

“通过中子散射实验，我们了解了中子与样本之间是如何进行能量与动量交换的，从而得以推断出它们的磁特性。”此次研究的共同作者马修・斯通表示。他是这样描述螺旋自旋液体的磁性结构的：“它看上去像是一张山脉等高线图，四周围绕着一圈圈环线；如果你沿着环线行走，所有自旋都指向同一方向；但如果你开始向外走、跨过不同的环线，这些自旋就会开始围绕轴线旋转。这就是‘螺旋’一词的来源。”

“我们的研究显示，螺旋自旋液体在蜂巢状晶格材料中是有可能存在的。”安德鲁・克里斯蒂安森指出，“这为科学界提供了一条探索自旋纹理和新激发态的新途径，例如分形子等等。这些发现或能在未来得到应用，比方说量子计算技术。”

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