不會“凍結(jié)”的新型量子態(tài)磁體造出

一個國際研究小組將一種特殊材料冷卻到接近絕對零度后發(fā)現(xiàn)，該材料中原子的一個核心性質(zhì)——它們的排列，并沒有像往常那樣“凍結(jié)”，而是保持在“液體”狀態(tài)，類似于水無論多冷都不會結(jié)冰。這種新的量子材料可作為模型系統(tǒng)，開發(fā)新型高靈敏度的量子傳感器。

日本東京大學(xué)固體物理研究所、美國約翰斯霍普金斯大學(xué)、德國馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所(MPI-PKS)和德累斯頓—羅森多夫赫爾姆霍茲中心(HZDR)的研究小組在最近的《自然·物理學(xué)》雜志上發(fā)表了這一研究成果。

原則上，磁體也可被視為量子材料，因為磁性是基于材料中電子的固有自旋。HZDR德累斯頓高場磁實(shí)驗室(HLD)約亨·沃斯尼察教授解釋說：“在某些方面，這些自旋可表現(xiàn)得像液體。”隨著溫度的下降，這些無序的旋轉(zhuǎn)會凍結(jié)，就像水凍結(jié)成冰一樣。某些類型的磁體，如鐵磁體，在它們的“冰點(diǎn)”以上是非磁性的，只有跌落到該點(diǎn)以下時，它們才能成為永久磁鐵。

該團(tuán)隊打算創(chuàng)造一種量子狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，與自旋相關(guān)的原子排列不會變得有序，即使在超低溫下也是如此，類似于液體即使在極端寒冷的情況下也不會凝固。為了達(dá)到這種狀態(tài)，研究小組使用了一種特殊的材料——鐠、鋯和氧元素的化合物。他們假設(shè)，在這種材料中，晶格的特性將使電子自旋能以一種特殊的方式與原子周圍的軌道相互作用。

經(jīng)過幾次嘗試，該團(tuán)隊最終造出了足夠純凈的晶體。在一種低溫恒溫器中，研究人員逐漸將樣本冷卻到20 mK(-273.13 ℃)。他們記錄了樣品在冷卻過程和在磁場中的反應(yīng)，以及晶體對直接通過它的超聲波的反應(yīng)。如果自旋是有序的，它應(yīng)該會導(dǎo)致晶體行為的突然變化，比如長度的突然變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是長度還是對超聲波的反應(yīng)都沒有突然變化。

量子材料具有非凡的性質(zhì)。例如，它們可在低溫下完全無損耗地導(dǎo)電。通常，即使溫度、壓力或電壓的微小變化也會極大地改變量子材料的行為。

研究結(jié)論是，自旋和軌道的顯著相互作用阻礙了有序化，這就是為什么原子保持在它們的液體量子狀態(tài)。這是第一次觀察到這樣的量子狀態(tài)，對磁場的進(jìn)一步研究證實(shí)了這一假設(shè)。研究人員表示，有朝一日，人們或許能夠利用這種新的量子態(tài)來開發(fā)高靈敏度的量子傳感器。