当原子被放置在类似三角形的晶格中时,就会形成量子自旋液体。图片来源:《Quanta》杂志

据15日《自然·通讯》杂志报道,英国伯明翰大学科学家开发出一种新方法,能够创造出在量子层面具有复杂“无序”磁性的材料。这种基于钌框架的材料,满足了“Kitaev量子自旋液体态”的要求,向制造和控制具有独特新性质的量子材料迈出了重要一步。

理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫在2009年提出一个Kitaev模型,指出了关于量子自旋液体的一些基本原理。

人们在冰箱或公告板上常见的条形磁铁就是铁磁体,其中的电子相互作用,每个电子都像一个小磁铁一样相互吸引和排斥,使它们全部指向同一方向,从而产生磁力。而量子自旋液体材料的磁性并非如此。它们并不像铁磁体那样具有有序的特性,而是无序的,其中的电子量子纠缠过程在磁性上相互连接。

在这项新研究中,利用英国散裂中子源与缪子源实验室和英国钻石光源的专用仪器,研究团队能够证明,具有开放框架结构的新型钌基材料,可以调节钌金属离子之间的相互作用。在这些结构中产生的磁性相互作用比在其他情况下要弱,这为科学家提供了更大的空间来调节它们的精确行为。

至关重要的是,这种材料具备的特性并不遵循经典物理学定律,这意味着科学家能创造出与常规铁磁体截然不同的磁性。

团队表示,这项研究在理解如何设计新材料、探索物质量子态方面迈出了重要一步,向人们展示了一个尚未被充分探索的“材料大家族”,帮助科学家设计具有独特磁性的量子新材料。