美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家新發(fā)現(xiàn)：“螺旋旋轉(zhuǎn)液體”的新型物態(tài)

8月19日上午，據(jù)報道，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們利用中子散射判斷了一種特殊材料的原子結構能否承載一類名叫“螺旋旋轉(zhuǎn)液體”的新型物態(tài)。通過追蹤層狀氯化鐵磁體蜂窩狀晶格中名為“自旋”現(xiàn)象的微小磁矩，該團隊發(fā)現(xiàn)了首個能夠容納該物態(tài)的二維系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)為未來針對物理現(xiàn)象的研究奠定了測試基礎，或?qū)⑼苿有乱淮畔⒓夹g的發(fā)展，包括“分形子”和“斯格明子”。分形子為集體的量子化振動，在量子計算領域頗有發(fā)展前景。斯格明子則是一種新型磁性自旋紋理，可能會促進高密度數(shù)據(jù)存儲技術的進步。

“能夠容納螺旋自旋液體的物質(zhì)尤其令人激動，因為它們具有生成量子自旋液體、量子紋理、以及分形子激發(fā)的潛力?！贝舜窝芯繋ь^人、橡樹林國家實驗室的高尚(音譯)表示。

早有理論預測，蜂巢狀晶格中可以容納螺旋自旋液體。在這種新型物態(tài)中，自旋可以形成不斷波動的螺旋開瓶器狀結構。但直至此次研究之前，科學家始終未能找到二維系統(tǒng)中存在該物態(tài)的實驗證據(jù)。二維系統(tǒng)由層狀晶體物質(zhì)構成，其中平面方向上的相互作用比疊加方向上的要強。

這條理論是十幾年前提出的。高尚認為，氯化鐵可以作為該理論的測試平臺。他和此次研究的共同作者安德魯·克里斯蒂安森一起找到了橡樹嶺國家實驗室的同事邁克爾·麥圭爾(此人在二維材料的培養(yǎng)和研究方面頗有建樹)，請他為中子衍射測量合成一份氯化鐵樣本。就像二維石墨烯在塊狀石墨中以蜂巢狀碳單質(zhì)晶格的形式存在一樣，二維的層狀鐵在塊狀鐵中同樣以蜂巢狀單層的形式存在?！按饲霸袌蟾姘凳?，這種有趣的蜂巢狀物質(zhì)在低溫下可以表現(xiàn)出復雜的磁性行為?！?

“每一層蜂巢狀鐵的上下兩側都有氯原子，構成了‘氯-鐵-氯’的夾板結構?！丙湽鐮柦忉尩溃懊繉訆A板頂部的氯原子與上一層夾板底部的氯原子僅通過范德華力相連，二者之間的相互作用很弱，因此像這樣的材料很容易剝成一層層薄片，最薄可至單層‘夾板’。這種特性很適合用于設備開發(fā)，也有助于我們理解量子物理從三維到二維的演變?！?

RNL的研究人員 Shang Gao說：“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因為它們有可能被用來產(chǎn)生量子自旋液體、自旋紋理和分子激發(fā)，”他領導了發(fā)表在《物理評論快報》上的這項研究。

一個長期存在的理論預測，蜂窩狀的晶格可以承載螺旋自旋液體。這是物質(zhì)的一個新階段，其中自旋形成波動的開瓶器狀結構。

然而，在這項研究之前，二維系統(tǒng)中的這種相的實驗證據(jù)一直缺乏。二維系統(tǒng)包括一個層狀晶體材料，其中平面上的相互作用比堆積方向上的更強。

研究人員將三氯化鐵確定為測試該理論的一個有希望的平臺，該理論是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了來自ORNL的Michael McGuire，他在生長和研究二維材料方面有廣泛的工作經(jīng)驗，詢問他是否會合成和描述一個三氯化鐵的樣品，以便進行中子散射測量。就像二維石墨烯層作為純碳的蜂窩狀格子存在于塊狀石墨中一樣，二維鐵層作為二維蜂窩狀層存在于塊狀三氯化鐵中?！耙郧暗膱蟾姘凳?，這種有趣的蜂窩狀材料在低溫下可能顯示出復雜的磁性行為，”McGuire說。

"每個蜂窩狀的鐵層在其上方和下方都有氯原子，構成氯-鐵-氯板，"McGuire說。"一個板塊頂部的氯原子通過范德瓦耳斯鍵與下一個板塊底部的氯原子發(fā)生非常弱的相互作用。這種微弱的結合使得像這樣的材料很容易被剝離成非常薄的層，往往是一個單一的板塊。這對于開發(fā)設備和理解量子物理學從三維到二維的演變是很有用的。"

在量子材料中，電子自旋可以有集體和外向的行為。如果一個自旋移動，所有的自旋都會做出反應--一種被愛因斯坦稱為"遠距離幽靈行動"的糾纏狀態(tài)。該系統(tǒng)保持在一種挫折狀態(tài)--一種保持無序的液體，因為電子自旋不斷改變方向，迫使其他糾纏的電子波動以作出反應。

60年前，第一個氯化鐵晶體的中子衍射研究是在ORNL進行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像和計算方面的廣泛專業(yè)知識使其能夠?qū)Υ判粤孔硬牧线M行開拓性的探索，從而推動下一代信息安全和存儲技術的發(fā)展。

繪制螺旋自旋液體中的自旋運動圖是由美國能源部科學辦公室在ORNL的用戶設施--輻照中子源和高通量同位素反應堆的專家和工具實現(xiàn)的。ORNL的合作者們對中子散射實驗的成功至關重要。Clarina dela Cruz領導了使用HFIR的POWDER衍射儀的實驗;劉耀華領導了使用SNS的CORELLI光譜儀的實驗;Matthias Frontzek領導了使用HFIR的WAND2衍射儀的實驗;Matthew Stone領導了操作SNS的SEQUOIA光譜儀的實驗;以及Douglas Abernathy領導了操作SNS的ARCS光譜儀的實驗。

“我們在SNS和HFIR測量的中子散射數(shù)據(jù)為螺旋自旋液相提供了令人信服的證據(jù)，”研究人員說。

我們前面已經(jīng)看到了交換作用的一種導出，它可以被表示為自旋之間的相互作用，在量子力學的模型中，磁性與這樣一些自旋的排列組合密切相關。當然，我們暫時不會深入，這一部分的目的仍然只是借這些重要的例子了解二次量子化語言的使用。

對于局域的電子系統(tǒng)，在不同的電子之間可以通過虛交換過程來傳遞自旋-自旋相互作用。因為電子是被束縛住的，電荷自由度基本被鎖死，所以我們只需要重點關注這些局域在格點上的自旋。

我們先來考慮最基本的鐵磁模型(反鐵磁和鐵磁盡管只有符號上的差距，但是性質(zhì)相差很大)，一個自旋鏈：

H^=?J∑?mn?S^m?S^n這些自旋算符滿足代數(shù)關系： [S^mi,S^nj]=iδmn?ijkS^nk并且，更加一般地，把這個模型推廣，一個格點上的自旋是 S對于這個模型，經(jīng)典地觀察告訴我們所有自旋同向的態(tài)是基態(tài)，并且由于系統(tǒng)具有整體旋轉(zhuǎn)對稱性，這樣的基態(tài)不是唯一的，我們寫出其中一個：

|Ω?=?m|Sm? ，其中 Smz|Sm?=S|Sm?我們可以通過對所有的自旋進行一個整體的旋轉(zhuǎn)從而獲得另一個基態(tài)，這是書上的一個小練習，我們要去驗證系統(tǒng)確實具有一個整體的旋轉(zhuǎn)對稱性(我們只需要驗證這一點就可以解決練習給出的問題，因為對稱性是用來從新解中獲得舊解的東西)。系統(tǒng)具有整體旋轉(zhuǎn)不變性看起來是非常直觀的，但是寫如果真想寫出來怎么驗證還是有一點點長