1965年諾貝爾物理學(xué)獎得主菲利普·沃倫·安德森在1973年首次提出一種新物質(zhì)狀態(tài)——量子自旋液體。其不同性質(zhì)在高溫超導(dǎo)和量子計算機等量子技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但問題在于，從未有人見過這種物質(zhì)狀態(tài)，至少近50年來一直如此。如今，哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個物理學(xué)家團隊表示，他們終于通過實驗?zāi)M并分析了這種奇異的物質(zhì)狀態(tài)。相關(guān)論文發(fā)表在2日的《科學(xué)》雜志上，這一成果標志著人們對量子自旋液體的神秘本質(zhì)有了全新理解，向能夠按需創(chuàng)造出這種難以捉摸的狀態(tài)邁出了一大步。
米哈伊爾·盧金教授(左)和首席研究員朱利亞·塞梅吉尼模擬并分析了一種以前從未觀察到的物質(zhì)狀態(tài)——量子自旋液體。他們正在使用激光研究量子自旋液體。
圖片來源：克里斯·斯尼貝/哈佛大學(xué)
量子自旋液體與水等日常液體沒有任何關(guān)系，而是與磁鐵和其中電子旋轉(zhuǎn)的方式有關(guān)。在普通磁鐵中，當(dāng)溫度降到一定溫度以下時，電子就會穩(wěn)定下來，形成一塊具有磁性的固體物質(zhì)。在量子自旋液體中，電子在冷卻時不穩(wěn)定，不會形成固體，并且在不斷變化和波動，如同液體一般。
研究人員表示，從這項研究中學(xué)到的知識有朝一日可能會為設(shè)計更好的量子材料和技術(shù)提供幫助。更具體地說，量子自旋液體的奇異性質(zhì)可能是創(chuàng)造更穩(wěn)定的量子比特（即拓撲量子比特）的關(guān)鍵，這種量子比特有望抵抗噪音和外部干擾。學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造和使用這樣的拓撲量子比特，意味著向?qū)崿F(xiàn)可靠的量子計算機邁出重要一步。
研究小組使用可編程量子模擬器來觀察這種類似液體的物質(zhì)狀態(tài)。該模擬器是一種特殊的量子計算機，允許研究人員創(chuàng)建諸如正方形、蜂窩狀或三角形晶格等可編程形狀，從而設(shè)計超冷原子之間不同的相互作用和糾纏。
在傳統(tǒng)的磁鐵中，電子自旋按照某種規(guī)則向上或向下。例如，在日常使用的冰箱磁鐵中，旋轉(zhuǎn)都指向同一個方向。這是因為旋轉(zhuǎn)通常以棋盤格模式工作，并且可以配對，這樣它們就可以指向相同或相反的方向，保持一定的順序。
量子自旋液體沒有表現(xiàn)出這樣的磁性順序。這是因為，從本質(zhì)上講，其添加了第三個旋轉(zhuǎn)，將棋盤格圖案轉(zhuǎn)變?yōu)槿切螆D案。雖然一對電子總是可以穩(wěn)定在一個或另一個方向上，但在三角形中，第三個自旋總是奇數(shù)，這就形成了一個阻挫自旋系統(tǒng)，使電子自旋不能穩(wěn)定在一個方向上。
研究人員使用模擬器創(chuàng)建了這種阻挫系統(tǒng)晶格圖案，將原子放在相應(yīng)位置相互作用和糾纏，在整個結(jié)構(gòu)糾纏在一起后，他們能測量和分析連接原子的弦——這些弦被稱為拓撲弦。拓撲弦的存在及對其進行的分析表明，量子自旋液態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)。
