鈷基蜂窩磁體展示量子自旋液體可能的工程化路徑

砷酸鈷鉀凸顯了輕微的結構畸變如何阻止自旋在低溫下保持流動狀態。

大多數磁體的行為是可預測的。將其冷卻，它們微小的磁矩便會像訓練有素的士兵一樣迅速歸位。然而，物理學家長期以來一直懷疑，在合適的條件下，磁性即使在極端低溫下也可能拒絕"安定"下來。這種永不休止的狀態被稱為量子自旋液體，它有望揭示新型粒子，并為遠比當今脆弱系統更穩定的量子技術奠定基礎。

在橡樹嶺國家實驗室，研究人員最近創造并細致研究了一種新的磁性材料，使得這種奇特的可能性更接近現實——盡管它尚未完全跨越終點線。

構建精密的"自旋蜂窩"

量子自旋液體的難點在于，大自然傾向于有序。在普通磁性材料中，未配對電子像微小的指南針，最終會彼此排列一致。為了防止這種排列，自旋之間的相互作用必須以非常特定的方式相互競爭。

約二十年前，物理學家阿列克謝·基塔耶夫提出，磁性原子構成的蜂窩狀晶格恰好能產生這種競爭，但將這一想法轉化為真實材料被證明異常困難。

橡樹嶺團隊專注于一種名為砷酸鈷鉀的化合物，其中鈷原子形成二維蜂窩網絡。制備它需要格外小心：加熱過度會導致化合物在結晶前分解。研究人員通過在低溫下緩慢加熱精心配制的溶液解決了這一問題，使晶體得以生長而不分解。

材料制成后，團隊對其進行了一系列測試。化學分析確認了鉀、鈷、砷和氧的精確比例。電子顯微鏡和衍射表明蜂窩晶格真實存在，但并非完全對稱——這種輕微畸變被證明至關重要。

熱容和磁性測量顯示，隨著材料冷卻，鈷自旋最終在大約14開爾文（約-259°C）以下鎖定為有序圖案，而非像量子自旋液體那樣保持流動。

中子散射實驗提供了晶體內部情況的最清晰圖像。由于中子與磁自旋有強相互作用，研究人員得以確認蜂窩結構在整個樣品中保持一致。

存在微弱的基塔耶夫相互作用

同時，基于測量結構的計算機模擬解釋了自旋凍結的原因：奇特的"基塔耶夫"相互作用確實存在，但比更傳統的磁力更弱。換言之，理論預測的物理機制存在，只是強度不足以占據主導。

乍看之下，未能實現量子自旋液體似乎令人失望。但在這個領域，"接近目標"往往比"偶然成功"更有價值。砷酸鈷鉀材料處于一個臨界點附近。計算表明，輕微改變其化學成分、施加壓力或加強磁場，都可能改變競爭相互作用之間的平衡。

若能打破這一平衡，回報可能非常深遠。量子自旋液體預計會承載一種稱為馬約拉納費米子的異常集體激發——它們并非獨立粒子，而是遍布材料內部的共享量子運動。

研究作者指出："基塔耶夫模型一直是實現可承載馬約拉納費米子的量子自旋液體的長期追尋目標。"由于這些激發態天然抗噪聲干擾，它們被認為是未來量子計算機和傳感器的有前途的構建模塊。

簡言之，研究人員構建的蜂窩結構可能尚未承載量子自旋液體，但它提供了一條可行的實現路徑——這本身就標志著一次有價值的進展。

研究作者補充道："計算研究表明存在弱最近鄰基塔耶夫項K1，這與相關的蜂窩狀鈷酸鹽一致。綜合數據表明，該材料應為開發基塔耶夫量子自旋液體提供一個新平臺。"

該研究已發表于《無機化學》期刊。

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