在量子计算机候选材料中发现的异质状态的证据

三氯化钌的晶体结构示意图，显示了钌离子和氯离子的简单蜂窝状晶格。氯围绕每个钌原子的电子自旋形成的扭曲的八面体是彼此的镜像。这种扭曲是化合物异常行为的关键，这证明它可能包含量子自旋液体的一个例子。

在佛罗里达州立大学总部设在国家高磁场实验室工作的科学家们使用一种新颖的技术，发现了一种量子自旋液体的证据，量子自旋液体有望成为未来量子计算机的基础。

研究人员在研究化合物三氯化钌中的所谓电子自旋时发现了令人兴奋的行为。他们的发现最近发表在《自然物理学》杂志上，表明电子自旋在整个材料上相互作用，有效地降低了总能量。在高温和高磁场下，在三氯化钌中检测到这种行为-与量子自旋液体一致。

自1973年首次提出以来，自旋液体一直是个谜。尽管有一些材料对此物质状态显示出令人鼓舞的迹象，但要确定其存在却极具挑战性。但是，它们引起了极大的兴趣，因为科学家们相信它们可以用于多种应用（例如量子计算）中的更智能材料的设计。

物理学家金·莫迪奇（Kim Modic）说，这项研究为三氯化钌是一种自旋液体提供了有力的支持，他曾在MagLab的脉冲场设施工作，现在是奥地利科学技术研究所的助理教授。

该论文的主要作者莫迪克说：“我认为本文为三氯化钌提供了崭新的视角，并展示了寻找自旋液体特征的新方法。”

数十年来，物理学家对电子的电荷进行了广泛的研究，该电子携带电，为电子，能源和其他领域的发展铺平了道路。但是电子也有一种叫做自旋的特性。科学家们还希望利用电子的自旋方面来实现技术，但是自旋的普遍行为尚未得到充分了解。

简而言之，可以将电子视为沿某个方向定向的轴（如顶部）上的旋转。在磁性材料中，这些自旋沿相同或相反的方向彼此对齐。这种行为称为磁性排序，这种行为可以通过温度或磁场来诱发或抑制。一旦抑制了磁序，就会出现更奇特的物质状态，例如量子自旋液体。

在寻找自旋液体时，研究小组将三氯化钌放入其中。它的蜂窝状结构在每个位置都有一个自旋，就像磁性的石墨烯一样，这是凝聚态物理中的另一个热门话题。

该论文的合著者，MagLab物理学家Arkady Shekhter说：“钌比碳重得多，这导致自旋之间发生强烈的相互作用。”

研究小组希望这些相互作用将增强材料的磁阻。这是一种“三人陪伴”的情况，其中两次旋转成对出现，而第三次旋转处于磁性状态，这阻碍了磁性排序。团队认为，这种挫败感可能导致旋转液体状态。他们的数据最终证实了他们的怀疑。

“在低温和强磁场作用下，三氯化钌似乎显示出我们正在寻找的行为迹象，”莫迪奇说。“自旋不只是根据相邻自旋的排列来定向，而是动态的（例如旋转的水分子），同时保持它们之间的某些相关性。”

莫迪奇说，该发现是由该团队开发的一种新技术实现的，该新技术被称为共振扭转磁力法，该技术可以精确地测量强磁场中电子自旋的行为，并可能导致有关磁性材料的许多其他新见解。

莫迪奇说：“我们真的没有像研究电荷系统那样使用强大的技术或分析机制来研究电子自旋的激发。”“确实存在的方法通常需要较大的样本量，而这可能无法使用。我们的技术非常灵敏，并且可以处理微小的细小样品。这可能会改变这一研究领域的局面。”

Modic作为博士后研究人员开发了该技术，然后与该论文的另一位合著者MagLab物理学家Shekhter和Ross McDonald合作，在高磁场中测量了三氯化钌。

他们的技术涉及将三氯化钌样品固定在一根发丝大小的悬臂上。他们改变了石英音叉的用途-与石英表类似-在磁场中振动悬臂。他们没有使用它来精确地显示时间，而是测量了振动的频率，以研究三氯化钌中的自旋与所施加的磁场之间的相互作用。他们在National MagLab的两个强大磁铁中进行了测量。

“我们的方法的优点在于它是一个相对简单的设置，使我们能够在35特斯拉的电阻磁体和65特斯拉的脉冲磁场中进行测量，”莫迪奇说。

研究的下一步将是在MagLab世界纪录的100特斯拉脉冲磁体中研究该系统。

Shekhter说：“如此高的磁场将使我们能够直接观察到自旋液体状态的抑制，这将帮助我们进一步了解该化合物的内部工作原理。”

参考：KA Modic，Ross D. McDonald，JPC Ruff，Maja D. Bachmann，You Lai，Johanna C. Palmstrom，David Graf，Mun K.Chan，FF Balakirev，JB撰写的“高磁场下RuCl3中尺度不变的磁各向异性”贝茨（Betts），GS鲍宾（GS Boebinger），马库斯·施密特（Marcus Schmidt），迈克尔·劳勒（Michael J.
10.1038 / s41567-020-1028-0

除了Modic，Shekhter和McDonald之外，其他对本文做出贡献的科学家还有：斯坦福大学的J. P. C. Ruff；马克斯·普朗克固体化学物理研究所和斯坦福大学的玛雅·D·巴赫曼（Maja D.Bachmann）美国佛罗里达州立大学（FSU）和康奈尔大学洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的尤莱；斯坦福大学的Johanna C.Palmstrom；国家MagLab的David Graf； LANL的Mun Chan，F.F.Balakirev和J.B.Betts； FSU和国家MagLab的Greg Boebinger；马克斯·普朗克研究所的马库斯·施密特（Marcus Schmidt）和德米特里·索科洛夫（Dmitry Sokolov）；康奈尔大学的Michael J. Lawler和Brad Ramshaw；马克斯·普朗克研究所和洛桑联邦理工学院的Philip J. W. Moll。

这项研究是在国家高磁场实验室进行的，该实验室是世界上最大，功率最大的磁体设施。跨学科的国家MagLab位于佛罗里达州立大学，佛罗里达大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室，该学科跨学科的国家实验室汇集了来自世界各地的科学家，以进行高磁场的基础研究，从而加深了我们对材料，能量和生命的理解。该实验室由美国国家科学基金会（DMR-1644779）和佛罗里达州资助。

奥地利科学技术研究院是位于维也纳的国际研究机构，致力于自然科学和形式科学方面的前沿研究。