在 ISIS 中子源实验获得的数据（右）与使用 PFFRG 方法的理论分析结果（左）之间的比较显示出极好的一致性。信用：HZB
在 langbeinite 家族的一个成员附近发现了一种 3D 量子自旋液体。这种材料的特定晶体结构和由此产生的磁相互作用会引起一种不寻常的行为，这种行为可以追溯到流动性孤岛。一个国际团队通过在 ISIS 中子源进行实验和对镍-朗贝矿样品进行理论建模，发现了这一发现。
当晶格中的自旋无法对齐以一起达到最小能量时，这称为磁挫折。如果这种挫折变得足够大，自旋就会继续以无序的方式波动，即使温度接近零并且材料表现为量子自旋液体。
量子自旋液体 （QSL） 具有非凡的特性，包括拓扑保护现象，可能对未来特别有用，特别是稳定的量子比特。最初，量子自旋液体主要在二维结构中研究，但这种现象也可能发生在 3D 结构中，尽管频率要低得多。
这项工作发表在《自然通讯》杂志上。
寻找挫折一项国际合作现在已经在一类具有 3D 结构的新型材料中证明了这种行为：Langbeinites 是硫酸盐矿物，在自然界中很少见;替换 SUM 公式中的一个或两个元素会生成全部属于此类材质的变体。
分子式为 K 的人造朗贝矿晶体2镍2（所以4)3是为该研究创建的。磁性元素镍在这里起着关键作用：镍离子形成两个相互纠缠的延龄草晶格。
这会产生所需的磁挫败，当施加外部磁场时，这种挫败感会进一步增强：镍离子的磁矩不能都以能量上有利的方式排列，而是波动并形成量子自旋液体。
镍离子形成两个相互纠缠的所谓延龄草晶格。这会产生所需的磁挫败，当施加外部磁场时，这种挫败会进一步增强。信用：HZB
中子数据和理论：近乎完美的拟合EPFL 由 Ivica Živkovič 领导的团队能够测量牛津英国中子源 ISIS 的磁波动。样品的行为类似于量子自旋液体，不仅在极低的温度下，甚至在“不冷不热”的 2 开尔文下也是如此。
由 HZB 理论家 Johannes Reuther 领导的团队能够使用多种理论方法解释测量数据。“我们的理论相图甚至确定了位于强烈受挫的四延龄球晶格中心的'流动性岛'，”该研究的第一作者、Reuther 团队的博士后研究员 Matias Gonzalez 说，他进行了蒙特卡洛模拟。
博士生 Vincent Noculak 使用一种基于 Reuther 几年前开发的费曼图（伪费米子函数重整化组，PFFRG）的方法计算了自旋之间的相互作用。实测数据和理论结果之间的一致性出奇地好。“尽管它的交互极其复杂，但我们可以很好地再现这个系统，”Reuther 说。
Langbeinites 的 QSL 候选者Langbeinites 是一大类基本上未开发的材料。研究表明，在这里寻找量子行为是值得的。由 HZB 物理学家 Bella Lake 领导的团队已经合成了这类材料的新代表，也可以看作是 3D 量子自旋液体。
“这仍然是纯粹的基础科学，”Johannes Reuther 强调说，“但随着人们对新型量子材料的兴趣日益浓厚，Langbeinite 材料在量子信息中的应用可能会变得有趣。
更多信息：Matías G. Gonzalez 等人，K 动力学2镍2（所以4)3受 3D 自旋液体模型的接近度控制，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-51362-1
期刊信息： Nature Communications
