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不会“冻结”的新型量子态磁体造出

日期: 2022-12-07
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来源:科技日报


一个国际研究小组将一种特殊材料冷却到接近绝对零度后发现,该材料中原子的一个核心性质——它们的排列,并没有像往常那样“冻结”,而是保持在“液体”状态,类似于水无论多冷都不会结冰。这种新的量子材料可作为模型系统,开发新型高灵敏度的量子传感器。

日本东京大学固体物理研究所、美国约翰斯·霍普金斯大学、德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所(MPI-PKS)和德累斯顿—罗森多夫赫尔姆霍兹中心(HZDR)的研究小组在最近的《自然·物理学》杂志上发表了这一研究成果。

原则上,磁体也可被视为量子材料,因为磁性是基于材料中电子的固有自旋。HZDR德累斯顿高场磁实验室(HLD)约亨·沃斯尼察教授解释说:“在某些方面,这些自旋可表现得像液体。”随着温度的下降,这些无序的旋转会冻结,就像水冻结成冰一样。某些类型的磁体,如铁磁体,在它们的“冰点”以上是非磁性的,只有跌落到该点以下时,它们才能成为永久磁铁。

该团队打算创造一种量子状态,在这种状态下,与自旋相关的原子排列不会变得有序,即使在超低温下也是如此,类似于液体即使在极端寒冷的情况下也不会凝固。为了达到这种状态,研究小组使用了一种特殊的材料——镨、锆和氧元素的化合物。他们假设,在这种材料中,晶格的特性将使电子自旋能以一种特殊的方式与原子周围的轨道相互作用。

经过几次尝试,该团队最终造出了足够纯净的晶体。在一种低温恒温器中,研究人员逐渐将样本冷却到20毫开尔文(零下273.13摄氏度)。他们记录了样品在冷却过程和在磁场中的反应,以及晶体对直接通过它的超声波的反应。如果自旋是有序的,它应该会导致晶体行为的突然变化,比如长度的突然变化。结果发现,无论是长度还是对超声波的反应都没有突然变化。

量子材料具有非凡的性质。例如,它们可在低温下完全无损耗地导电。通常,即使温度、压力或电压的微小变化也会极大地改变量子材料的行为。

研究结论是,自旋和轨道的显著相互作用阻碍了有序化,这就是为什么原子保持在它们的液体量子状态。这是第一次观察到这样的量子状态,对磁场的进一步研究证实了这一假设。研究人员表示,有朝一日,人们或许能够利用这种新的量子态来开发高灵敏度的量子传感器。



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