科学家实验模拟出量子自旋液体

科技日报北京12月2日电 （实习记者张佳欣）1965年诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森在1973年首次提出一种新物质状态——量子自旋液体。其不同性质在高温超导和量子计算机等量子技术领域有着广阔的应用前景。但问题在于，从未有人见过这种物质状态，至少近50年来一直如此。如今，哈佛大学领导的一个物理学家团队表示，他们终于通过实验模拟并分析了这种奇异的物质状态。相关论文发表在2日的《科学》杂志上，这一成果标志着人们对量子自旋液体的神秘本质有了全新理解，向能够按需创造出这种难以捉摸的状态迈出了一大步。

量子自旋液体与水等日常液体没有任何关系，而是与磁铁和其中电子旋转的方式有关。在普通磁铁中，当温度降到一定温度以下时，电子就会稳定下来，形成一块具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中，电子在冷却时不稳定，不会形成固体，并且在不断变化和波动，如同液体一般。

研究人员表示，从这项研究中学到的知识有朝一日可能会为设计更好的量子材料和技术提供帮助。更具体地说，量子自旋液体的奇异性质可能是创造更稳定的量子比特（即拓扑量子比特）的关键，这种量子比特有望抵抗噪音和外部干扰。学习如何创造和使用这样的拓扑量子比特，意味着向实现可靠的量子计算机迈出重要一步。

研究小组使用可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质状态。该模拟器是一种特殊的量子计算机，允许研究人员创建诸如正方形、蜂窝状或三角形晶格等可编程形状，从而设计超冷原子之间不同的相互作用和纠缠。

在传统的磁铁中，电子自旋按照某种规则向上或向下。例如，在日常使用的冰箱磁铁中，旋转都指向同一个方向。这是因为旋转通常以棋盘格模式工作，并且可以配对，这样它们就可以指向相同或相反的方向，保持一定的顺序。

量子自旋液体没有表现出这样的磁性顺序。这是因为，从本质上讲，其添加了第三个旋转，将棋盘格图案转变为三角形图案。虽然一对电子总是可以稳定在一个或另一个方向上，但在三角形中，第三个自旋总是奇数，这就形成了一个阻挫自旋系统，使电子自旋不能稳定在一个方向上。

研究人员使用模拟器创建了这种阻挫系统晶格图案，将原子放在相应位置相互作用和纠缠，在整个结构纠缠在一起后，他们能测量和分析连接原子的弦——这些弦被称为拓扑弦。拓扑弦的存在及对其进行的分析表明，量子自旋液态已经出现。