科学家观察量子自旋液体:一种我们从未见过的物质状态

一种被称为量子自旋液体的奇异的全新物质状态已经被假设了几十年，现在科学家已经能够在实验室中第一次观察到它。

“液体”部分指的是在低温下磁性材料内部不断变化和波动的电子。与普通的磁铁不同，在这种情况下，电子在冷却时不会稳定或沉降到固体的结构晶格中。

“量子自旋”指的是粒子所携带的角动量(向上或向下)的方向，粒子与相反的自旋成对纠缠在一起。现在这种状态已经被首次观测到，人们希望这一发现可以推动量子计算机的发展。

“这是该领域一个非常特殊的时刻，”马萨诸塞州哈佛大学的量子物理学家米哈伊尔·卢金说。“你真的可以触摸、戳这种奇特的状态，并操纵它来了解它的属性……这是一种人们从未能够观察到的物质的新状态。”

普通磁铁的特征是电子的自旋方向是相同的，向上或向下，这就是产生磁性的原因。

在量子自旋液体中，第三个电子被引入，所以当两个相反的自旋相互稳定时，来自第三个电子的自旋打破了平衡。它产生了一个“受挫”磁铁，使自旋不能全部稳定在一个方向上。

为了产生他们自己的失意晶格图案，该团队使用了2017年建造的可编程量子模拟器。该模拟器使用量子计算机程序，用激光将原子保持在定制的形状——如正方形、三角形或蜂巢——可以用来设计不同的量子交互和过程。

模拟器使用激光束紧密集中安排单独的原子,和安排的铷原子triangle-patterned晶格研究人员能够产生一个沮丧的磁铁与量子纠缠的特性,改变一个原子匹配在第二个原子纠缠态。

原子之间的联系表明一种量子自旋液体确实被创造出来了。

“你可以把原子分开，想多远就多远;你可以改变激光的频率;你可以真正改变自然界的参数，而这是你在之前研究这些东西的材料中无法做到的，”哈佛大学的量子物理学家苏比尔·萨克德夫说。

“在这里，你可以观察每个原子，看看它在做什么。”

量子计算机是建立在量子位或量子位上的，人们希望量子自旋液体将有助于拓扑量子位的发展:能够更好地抵御外界噪声和干扰的量子位。

对于量子计算机来说，这是非常重要的。这些系统可能非常脆弱，让它们在长时间内无差错地工作是科学家正在努力解决的最大挑战之一。

既然量子自旋液体已经首次被发现，它应该有助于弄清楚如何使量子位元尽可能地稳定。研究人员说，现在还有很多东西有待探索。

哈佛大学的量子物理学家Giulia Semeghini说:“学习如何创建和使用这种拓扑量子位元，将是实现可靠量子计算机的重要一步。”

这项研究发表在《科学》杂志上。

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