磁性量子材料為下一代信息技術提供了探索平台

2022年08月19日

新浪科技

　　中子散射實驗揭露了氯化鐵中的自旋關聯情況，提供了螺旋自旋液態存在的證據，圖為藝術家繪制的概念圖。

新浪科技訊

這一發現為未來針對物理現象的研究奠定了測試基礎，或將推動新一代信息技術的發展，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據存儲技術的進步。

「能夠容納螺旋自旋液體的物質尤其令人激動，因為它們具有生成量子自旋液體、量子紋理、以及分形子激發的潛力。」此次研究帶頭人、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中存在該物態的實驗證據。二維系統由層狀晶體物質構成，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台。他和此次研究的共同作者安德魯·克裏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。「此前曾有報告暗示，這種有趣的蜂巢狀物質在低溫下可以表現出複雜的磁性行為。」

「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。」麥圭爾解釋道，「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範德華力相連，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’。這種特性很適合用於設備開發，也有助於我們理解量子物理從三維到二維的演變。」

在量子材料中，電子自旋表現分為「集體」和「奇異」兩種。假如一個自旋發生變動，所有自旋都會做出反應，即愛因斯坦稱為「幽靈般的超距作用」的糾纏態。此時系統處於「阻挫」狀態——這種液體能夠保持無序狀態，因為電子自旋一直在不斷變換方向，迫使其它處於糾纏態的電子隨之發生漲落。

60年前，橡樹嶺國家實驗室開展了首次氯化鐵晶體的中子衍射研究。如今，該實驗室在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像及計算等方面已經具備了高度專業性，借此在磁性量子材料領域開展了開創性的探索工作，而這些材料將促進新一代信息安全與存儲技術的發展。

此次能成功測繪螺旋自旋液體中的自旋運動情況，橡樹嶺國家實驗室散列中子源及高通量同位素反應堆的專家與工具發揮了重要作用。高尚表示：「我們從散列中子源和高通量同位素反應堆的測定結果中獲得的中子散射數據為螺旋自旋液態的存在提供了關鍵證據。」

「通過中子散射實驗，我們了解了中子與樣本之間是如何進行能量與動量交換的，從而得以推斷出它們的磁特性。」此次研究的共同作者馬修·斯通表示。他是這樣描述螺旋自旋液體的磁性結構的：「它看上去像是一張山脈等高線圖，四周圍繞著一圈圈環線；如果你沿著環線行走，所有自旋都指向同一方向；但如果你開始向外走、跨過不同的環線，這些自旋就會開始圍繞軸線旋轉。這就是‘螺旋’一詞的來源。」

「我們的研究顯示，螺旋自旋液體在蜂巢狀晶格材料中是有可能存在的。」安德魯·克裏斯蒂安森指出，「這為科學界提供了一條探索自旋紋理和新激發態的新途徑，例如分形子等等。這些發現或能在未來得到應用，比方說量子計算技術。」