美國(guó)能源部下屬橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家們利用中子散射來(lái)確定一種特定材料的原子結(jié)構(gòu)是否能夠承載一種叫做螺旋自旋液體的新型物質(zhì)狀態(tài)。該研究小組通過(guò)追蹤被稱為”自旋”的微小磁矩在層狀三氯化鐵磁體的蜂窩狀晶格上發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)承載螺旋自旋液體的二維系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)研究可能推動(dòng)下一代信息技術(shù)的物理現(xiàn)象提供了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。這些現(xiàn)象包括分形子和斯格明子。分子是集體量化的振動(dòng)，在量子計(jì)算中可能被證明是有前景的。斯格明子是新型的磁自旋紋理，可以推進(jìn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

ORNL的研究人員 Shang Gao說(shuō)：“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因?yàn)樗鼈冇锌赡鼙挥脕?lái)產(chǎn)生量子自旋液體、自旋紋理和分子激發(fā)，”他領(lǐng)導(dǎo)了發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的這項(xiàng)研究。

一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論預(yù)測(cè)，蜂窩狀的晶格可以承載螺旋自旋液體。這是物質(zhì)的一個(gè)新階段，其中自旋形成波動(dòng)的開(kāi)瓶器狀結(jié)構(gòu)。

然而，在這項(xiàng)研究之前，二維系統(tǒng)中的這種相的實(shí)驗(yàn)證據(jù)一直缺乏。二維系統(tǒng)包括一個(gè)層狀晶體材料，其中平面上的相互作用比堆積方向上的更強(qiáng)。

研究人員將三氯化鐵確定為測(cè)試該理論的一個(gè)有希望的平臺(tái)，該理論是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了來(lái)自O(shè)RNL的Michael McGuire，他在生長(zhǎng)和研究二維材料方面有廣泛的工作經(jīng)驗(yàn)，詢問(wèn)他是否會(huì)合成和描述一個(gè)三氯化鐵的樣品，以便進(jìn)行中子散射測(cè)量。就像二維石墨烯層作為純碳的蜂窩狀格子存在于塊狀石墨中一樣，二維鐵層作為二維蜂窩狀層存在于塊狀三氯化鐵中。“以前的報(bào)告暗示，這種有趣的蜂窩狀材料在低溫下可能顯示出復(fù)雜的磁性行為，”McGuire說(shuō)。

“每個(gè)蜂窩狀的鐵層在其上方和下方都有氯原子，構(gòu)成氯-鐵-氯板，”McGuire說(shuō)。”一個(gè)板塊頂部的氯原子通過(guò)范德瓦耳斯鍵與下一個(gè)板塊底部的氯原子發(fā)生非常弱的相互作用。這種微弱的結(jié)合使得像這樣的材料很容易被剝離成非常薄的層，往往是一個(gè)單一的板塊。這對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)備和理解量子物理學(xué)從三維到二維的演變是很有用的。”

在量子材料中，電子自旋可以有集體和外向的行為。如果一個(gè)自旋移動(dòng)，所有的自旋都會(huì)做出反應(yīng)–一種被愛(ài)因斯坦稱為”遠(yuǎn)距離幽靈行動(dòng)”的糾纏狀態(tài)。該系統(tǒng)保持在一種挫折狀態(tài)–一種保持無(wú)序的液體，因?yàn)殡娮幼孕粩喔淖兎较?，迫使其他糾纏的電子波動(dòng)以作出反應(yīng)。

60年前，第一個(gè)氯化鐵晶體的中子衍射研究是在ORNL進(jìn)行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像和計(jì)算方面的廣泛專業(yè)知識(shí)使其能夠?qū)Υ判粤孔硬牧线M(jìn)行開(kāi)拓性的探索，從而推動(dòng)下一代信息安全和存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。

繪制螺旋自旋液體中的自旋運(yùn)動(dòng)圖是由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在ORNL的用戶設(shè)施–輻照中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的專家和工具實(shí)現(xiàn)的。ORNL的合作者們對(duì)中子散射實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。Clarina dela Cruz領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的POWDER衍射儀的實(shí)驗(yàn)；劉耀華領(lǐng)導(dǎo)了使用SNS的CORELLI光譜儀的實(shí)驗(yàn)；Matthias Frontzek領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的WAND2衍射儀的實(shí)驗(yàn)；Matthew Stone領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的SEQUOIA光譜儀的實(shí)驗(yàn)；以及Douglas Abernathy領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的ARCS光譜儀的實(shí)驗(yàn)。

“我們?cè)赟NS和HFIR測(cè)量的中子散射數(shù)據(jù)為螺旋自旋液相提供了令人信服的證據(jù)，”研究人員說(shuō)。

“中子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)量了中子如何與樣品交換能量和動(dòng)量，從而可以推斷出磁特性，”共同作者M(jìn)atthew Stone說(shuō)。他描述了螺旋自旋液體的磁結(jié)構(gòu)：“它看起來(lái)像一群山的地形圖，有一堆環(huán)狀物向外延伸。如果你沿著一個(gè)環(huán)走，所有的自旋都會(huì)指向同一個(gè)方向。但是如果你向外走，穿過(guò)不同的環(huán)，你會(huì)看到那些旋轉(zhuǎn)開(kāi)始圍繞它們的軸旋轉(zhuǎn)。這就是螺旋?！?/p>

“我們的研究表明，螺旋自旋液體的概念對(duì)于廣泛的蜂窩狀晶格材料是可行的，”共同作者Andrew Christianson說(shuō)。“它為社區(qū)提供了一條探索自旋紋理和新型激發(fā)的新途徑，如分形子，然后可能用于未來(lái)的應(yīng)用，如量子計(jì)算?！?/p>