违反直觉的超导性和量子计算的突破：利用压力使液体磁化

当磁性材料的样品被加压成自旋液体状态时，艺术家对电子自旋的渲染受挫。

科学家利用两颗平顶钻石和很大的压力，迫使磁性晶体变成自旋液态，这可能导致人们对高温超导性和量子计算产生深刻见解。

听起来像个谜语：如果您拿着两颗小钻石，在它们之间放一个小磁性晶体，然后将它们慢慢挤压在一起，会得到什么？

答案是磁性液体，这似乎违反直觉。液体在压力下变成固体，但反之则不然。但是，这项非同寻常的关键发现是由美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的美国能源部（DOE）科学用户设施办公室高级光子源（APS）的一组研究人员揭示的，该发现可能会为科学家提供新的洞察力，温度超导和量子计算。

尽管科学家和工程师数十年来一直在使用超导材料，但高温超导体在没有电阻的情况下进行导电的确切过程仍然是量子力学的奥秘。超导体的明显迹象是电阻损失和磁力损失。高温超导体可以在高于液氮的温度（-320华氏度）下运行，从而使其对电网中的无损传输线以及能源行业的其他应用具有吸引力。

但是没有人真正知道高温超导体如何达到这种状态。需要这些知识才能将这些材料的工作温度提高到环境温度，这是在节能电网中全面实施超导体所必需的。

量子自旋液体是自旋态的叠加，起伏不定但相互纠缠。可以公平地说，如果此过程创建具有量子叠加的量子自旋液体，它将构成量子计算机的基本组成部分qubit。— XSD的物理学家兼组长Daniel Haskel

普林斯顿大学已故理论家菲尔·安德森（Phil Anderson）于1987年提出的一个想法涉及将材料置于量子自旋液态，安德森提出可能导致高温超导。关键是材料中每个原子中电子的自旋，在某些条件下可以将其微调为“受挫”并且无法将自己排列成有序模式的状态。

为了缓解这种挫败感，电子自旋方向会随时间波动，仅在短时间内像液体一样与相邻的自旋对齐。这些波动可能有助于高温超导所需的电子对的形成。

阿贡（Asonne）X射线物理学家兼小组负责人丹尼尔·哈斯克尔（Daniel Haskel）认为，压力提供了一种方法，可以“调节”电子自旋之间的间隔，并使磁体进入受挫状态，在一定压力下磁力消失，自旋液体出现。科学部（XSD）带领研究团队在APS进行了一系列实验，从而做到了这一点。该团队包括XSD的助理研究员Argonne助理物理学家Gilberto Fabbris和Kim Jong-Woo Kim和Jung Ho Kim。

Haskel谨慎地说，他的研究小组的结果（最近发表在《物理评论快报》上）并未最终证明自旋液态的量子性质，在这种状态下原子自旋即使在绝对零温度下也将继续移动-需要做更多的实验确认这一点。

但是他们的确表明，通过施加缓慢且稳定的压力，可以将某些磁性材料推入类似于液体的状态，在这种状态下，电子自旋变得无序，磁性消失，同时保留了构成电子自旋的原子的晶体排列。研究人员有信心他们创造了一种自旋液体，其中的电子自旋是无序的，但不确定这些自旋是否被缠结，这将是量子自旋液体的标志。

哈斯克尔说，如果这是一种量子自旋液体，那么用这种方法制造一种液体的能力将产生广泛的影响。

Haskel说：“某些类型的量子自旋液体可以实现无错误的量子计算。”量子自旋液体是自旋态的叠加，起伏不定但相互纠缠。可以公平地说，如果此过程创建具有量子叠加的量子自旋液体，它将构成量子计算机的基本组成部分qubit。

那么，团队做了什么？他们是如何做到的？这使我们回到了钻石，这是APS独特实验装置的一部分。研究人员使用了两个钻石砧，其切割方式与您在珠宝店中看到的方式相似，底座宽且边缘较窄且平坦。他们将较小的扁平边缘放置在一起，在它们之间插入了磁性材料（在这种情况下为锶铱合金）样品，然后推入。

Fabbris说：“这个想法是，当您对其加压时，它将使原子更靠近在一起。”“而且由于我们可以缓慢地进行操作，因此可以连续进行，并且可以在压力升高时测量样品的特性。”

当法伯布里斯（Fabbris）说施加压力的速度很慢时，他并不是在开玩笑-他说，这些实验中的每个实验都花了大约一周的时间，使用的样本直径大约为100微米，或者大约是一张纸的宽度。由于研究人员不知道磁性会在什么压力下消失，因此他们必须仔细测量每一次很小的增加。

并看到它消失了，它们在大约20吉帕斯卡的压力下消失了，相当于20万个大气压，或者比地球上最深的海沟太平洋马里亚纳海沟底部的压力高出约200倍。电子的自旋在短距离上仍保持相关性，就像液体一样，但是即使在低至1.5开氏温度（-457华氏度）的温度下也保持无序。

哈斯克尔说，诀窍（也是创造自旋液态的关键）是保持原子排列的晶体顺序和对称性，因为原子位置随机无序的不良影响会导致产生不同的磁态，而没有旋转液态的独特性质。Haskel将电子自旋比作一个街区上的邻居-随着距离越来越近，他们都希望彼此开心，改变其自旋方向以匹配邻居。目的是使他们彼此靠近，以致他们可能无法让所有邻居开心，从而“挫败”了他们的自旋互动，同时仍然保持了街区的结构。

研究团队使用了APS的强X射线成像功能来测量样品的磁性，据Haskel和Fabbris称，APS是美国唯一可以进行此类实验的设施。法布里斯说，特别是，专注于一种原子而不理会所有其他原子的能力至关重要。

“样品非常小，如果您尝试在大学实验室中使用其他技术测量磁性，则将从金刚石砧座中的组件中吸收磁信号，”法布里斯（Fabbris）说。“没有像APS这样的光源，我们所做的测量是不可能的。它具有独特的能力。”

现在，团队已经达到了自旋液体状态，下一步是什么？需要更多的实验以查看是否已经创建了量子自旋液体。未来的实验将涉及在自旋液体状态下更直接地探索自旋动力学及其相关性的性质。但是，Haskel说，最近的结果为实现这些难以捉摸的量子态提供了一种途径，这可能导致对超导电性和量子信息科学的新见解。

Haskel还指出了APS升级，这是一个庞大的项目，可以看到仪器的亮度提高了1000倍。他说，这将允许对这些令人着迷的物质状态进行更深入的探究。

他说：“取决于任何人的想象力，令人惊讶的量子力学效应正在等待被发现。”

参考：D. Haskel，G. Fabbris，J.H.撰写的“压缩Sr2IrO4中的可能量子顺磁性”。金莉丝（I.L.S.I.） Veiga，J.R.L.马德甘（C.A.）小埃斯卡内费拉（Escanhoela），希奇拉（S. Chikara），斯特鲁日金（V.金（Kim），2020年2月11日，《体检信》。
10.1103 / PhysRevLett.124.067201