中年自旋电子学：新型材料中量子自旋液态的观察
量子物理学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解 ， 世界各地的科学家们正在努力利用这一学科在工程应用中所获得的新知识来引发技术革命 。 自旋电子学 ， 英语：Spintronics ， 即是这样的一个新兴的领域 ， 旨在通过使用电子自旋作为一种传输信息的方式 ， 从而超越传统电子学的极限 。
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但是 ， 可以使用自旋操作的设备的设计极具挑战性 ， 需要在异乎寻常的状态下使用新的材料 ， 有些科学家还没有完全理解并且还没有进行过实验观察 。
在今天的《自然通讯》上发表的最新研究中 ， 东京理科大学应用物理系的科学家描述了一种新合成的分子式为KCu6AlBiO4（SO4）5Cl的化合物 ， 该化合物可能是理解难以捉摸的“量子自旋液体“（quantum spin liquid ， 简写： QSL）状态 。 可以通过实验观察到这种状态 ， 这增强了对自旋行为及其在下一代“自旋电子”设备中的集成的认知 。
研究人员表示：“观察量子自旋液体状态是凝聚态物理以及新自旋电子器件开发的最重要目标之一 。 但是 ， 量子自旋液体状态是二维的 ， 由于存在混乱或与理想模型的偏差 ， 在实际材料中尚未清楚地观察到这样的系统 。 ”
在低于特定温度的反铁磁材料中 ， 电子的自旋会自然地以大规模的图案形式排列 。 但是 ， 在处于量子自旋液体状态的材料中 ， 自旋以类似于相对于结晶冰相、如液态水中的分子无序的方式排列 。 这种无序排列现象是由一种称为“几何失稳”的结构现象引起的 ， 在这种现象中 ， 没有可能对所有电子对称且在能量上有利的自旋构型 。
几何失稳 ， 又称为几何受挫 ， 英语为：geometrical frustration ， 或简单地：frustration ， 是凝聚体物理学中的一种特殊现象 ， 表现为原子倾向于粘附在不平常的位置 ， 或者在规则晶格中相互冲突的原子力（每一个都倾向于相当简单但不同的结构）会导致相当复杂的结构 。 由于几何形状或力的受阻 ， 在接近低温零度下可能会导致大量不同的基态 ， 并且在较高温度下可能会抑制常规的热排序 。
KCu6AlBiO4（SO4）5Cl是一种新合成的化合物 ， 其铜原子以一种特殊的二维模式排列 ， 即所谓的“方形笼目格（square kagome lattice， 简写：SKL）”排列 ， 这种排列有望通过“受挫”产生量子自旋液体状态 。
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该研究论文合著者、满田节男（Setsuo Mitsuda）教授指出：“缺乏方形笼目格系统的模型化合物 ， 阻碍了对其自旋状态的更深入理解 。 为此 ， 我们合成了第一个方形笼目格反铁磁体KCu6AlBiO4（SO4）5Cl ， 并证明了在极低的量子自旋液体状态温度下没有磁性排序 。 ”
使用过去的研究模型通过理论计算无法获得实验结果 。 该研究方法考虑了晶体网络中每个铜离子与其最近的邻居之间的相互作用 。 研究人员解释说：“为消除差异 ， 我们使用了各种参数集考虑了近邻的相互作用 ， 计算了方形笼目格模型 。 但是无法重现实验结果 。 正确地进行实验 ， 需要通过进一步的交互来计算模型 。 ”
【中年自旋电子学：新型材料中量子自旋液态的观察】
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实验与计算之间的分歧突出表明 ， 有必要完善现有的理论方法 ， 论文合著者、高山隆山教授得出结论：“虽然我们合成的方形笼目格反铁磁体是研究方形笼目格磁性的第一个候选人 ， 但我们可能必须考虑更长距离的相互作用在我们的模型中获得量子自旋液体 。 这是揭示量子自旋液体状态本质的理论挑战 。 ”我们希望物理学家设法应对这一挑战 ， 使我们又更接近自旋电子学的美好前景 。
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