8月19日上午，據(jù)報(bào)道，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用中子散射判斷了一種特殊材料的原子結(jié)構(gòu)能否承載一類名叫“螺旋旋轉(zhuǎn)液體”的新型物態(tài)。通過(guò)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)能夠容納該物態(tài)的二維系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)針對(duì)物理現(xiàn)象的研究奠定了測(cè)試基礎(chǔ)，或?qū)⑼苿?dòng)新一代信息技術(shù)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(dòng)，在量子計(jì)算領(lǐng)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(huì)促進(jìn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步。

“能夠容納螺旋自旋液體的物質(zhì)尤其令人激動(dòng)，因?yàn)樗鼈兙哂猩闪孔幼孕后w、量子紋理、以及分形子激發(fā)的潛力。”此次研究帶頭人、橡樹(shù)林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高尚(音譯)表示。

早有理論預(yù)測(cè)，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(dòng)的螺旋開(kāi)瓶器狀結(jié)構(gòu)。但直至此次研究之前，科學(xué)家始終未能找到二維系統(tǒng)中存在該物態(tài)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。二維系統(tǒng)由層狀晶體物質(zhì)構(gòu)成，其中平面方向上的相互作用比疊加方向上的要強(qiáng)。

這條理論是十幾年前提出的。高尚認(rèn)為，氯化鐵可以作為該理論的測(cè)試平臺(tái)。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(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shù))，請(qǐng)他為中子衍射測(cè)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?bào)告暗示，這種有趣的蜂巢狀物質(zhì)在低溫下可以表現(xiàn)出復(fù)雜的磁性行為。”

“每一層蜂巢狀鐵的上下兩側(cè)都有氯原子，構(gòu)成了‘氯-鐵-氯’的夾板結(jié)構(gòu)?！丙湽鐮柦忉尩?，“每層夾板頂部的氯原子與上一層夾板底部的氯原子僅通過(guò)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(shè)備開(kāi)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(shuō)：“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因?yàn)樗鼈冇锌赡鼙挥脕?lái)產(chǎn)生量子自旋液體、自旋紋理和分子激發(fā)，”他領(lǐng)導(dǎo)了發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的這項(xiàng)研究。

一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論預(yù)測(cè)，蜂窩狀的晶格可以承載螺旋自旋液體。這是物質(zhì)的一個(gè)新階段，其中自旋形成波動(dòng)的開(kāi)瓶器狀結(jié)構(gòu)。

然而，在這項(xiàng)研究之前，二維系統(tǒng)中的這種相的實(shí)驗(yàn)證據(jù)一直缺乏。二維系統(tǒng)包括一個(gè)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(qiáng)。

研究人員將三氯化鐵確定為測(cè)試該理論的一個(gè)有希望的平臺(tái)，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(lái)自O(shè)RNL的Michael McGuire，他在生長(zhǎng)和研究二維材料方面有廣泛的工作經(jīng)驗(yàn)，詢問(wèn)他是否會(huì)合成和描述一個(gè)三氯化鐵的樣品，以便進(jìn)行中子散射測(cè)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。“以前的報(bào)告暗示，這種有趣的蜂窩狀材料在低溫下可能顯示出復(fù)雜的磁性行為，”McGuire說(shuō)。

"每個(gè)蜂窩狀的鐵層在其上方和下方都有氯原子，構(gòu)成氯-鐵-氯板，"McGuire說(shuō)。"一個(gè)板塊頂部的氯原子通過(guò)范德瓦耳斯鍵與下一個(gè)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(jié)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(gè)單一的板塊。這對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)備和理解量子物理學(xué)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(gè)自旋移動(dòng)，所有的自旋都會(huì)做出反應(yīng)--一種被愛(ài)因斯坦稱為"遠(yuǎn)距離幽靈行動(dòng)"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(wú)序的液體，因?yàn)殡娮幼孕粩喔淖兎较?，迫使其他糾纏的電子波動(dòng)以作出反應(yīng)。

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

繪制螺旋自旋液體中的自旋運(yùn)動(dòng)圖是由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在ORNL的用戶設(shè)施--輻照中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的專家和工具實(shí)現(xiàn)的。ORNL的合作者們對(duì)中子散射實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。Clarina dela Cruz領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的POWDER衍射儀的實(shí)驗(yàn);劉耀華領(lǐng)導(dǎo)了使用SNS的CORELLI光譜儀的實(shí)驗(yàn);Matthias Frontzek領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的WAND2衍射儀的實(shí)驗(yàn);Matthew Stone領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的SEQUOIA光譜儀的實(shí)驗(yàn);以及Douglas Abernathy領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的ARCS光譜儀的實(shí)驗(yàn)。

“我們?cè)赟NS和HFIR測(cè)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(shuō)。

我們前面已經(jīng)看到了交換作用的一種導(dǎo)出，它可以被表示為自旋之間的相互作用，在量子力學(xué)的模型中，磁性與這樣一些自旋的排列組合密切相關(guān)。當(dāng)然，我們暫時(shí)不會(huì)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(yǔ)言的使用。

對(duì)于局域的電子系統(tǒng)，在不同的電子之間可以通過(guò)虛交換過(guò)程來(lái)傳遞自旋-自旋相互作用。因?yàn)殡娮邮潜皇`住的，電荷自由度基本被鎖死，所以我們只需要重點(diǎn)關(guān)注這些局域在格點(diǎn)上的自旋。

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

H^=?J∑?mn?S^m?S^n這些自旋算符滿足代數(shù)關(guān)系： [S^mi,S^nj]=iδmn?ijkS^nk并且，更加一般地，把這個(gè)模型推廣，一個(gè)格點(diǎn)上的自旋是 S對(duì)于這個(gè)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(duì)稱性，這樣的基態(tài)不是唯一的，我們寫(xiě)出其中一個(gè)：

|Ω?=?m|Sm? ，其中 Smz|Sm?=S|Sm?我們可以通過(guò)對(duì)所有的自旋進(jìn)行一個(gè)整體的旋轉(zhuǎn)從而獲得另一個(gè)基態(tài)，這是書(shū)上的一個(gè)小練習(xí)，我們要去驗(yàn)證系統(tǒng)確實(shí)具有一個(gè)整體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性(我們只需要驗(yàn)證這一點(diǎn)就可以解決練習(xí)給出的問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)稱性是用來(lái)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(lái)是非常直觀的，但是寫(xiě)如果真想寫(xiě)出來(lái)怎么驗(yàn)證還是有一點(diǎn)點(diǎn)長(zhǎng)