1973年，物理学家菲尔·安德森(Phil Anderson)假设量子自旋液体(quantum spin liquid，简称QSL)存在于一些三角形晶格上，但他缺乏深入研究的工具。50年后，总部设在美国能源部橡树岭国家实验室的量子科学中心的研究人员领导的一个研究小组证实，在一种具有这种结构的新材料KYbSe2中存在QSL行为。
qsl是一种不寻常的物质状态，由被称为自旋的纠缠或内在联系的磁性原子之间的相互作用控制，它擅长稳定KYbSe2和其他delafoses中的量子力学活动。这些材料因其分层三角形晶格和有前途的特性而受到重视，这些特性可能有助于构建高质量的超导体和量子计算组件。
这篇论文发表在《自然物理学》杂志上，由来自ORNL的研究人员;劳伦斯伯克利国家实验室;洛斯阿拉莫斯国家实验室;SLAC国家加速器实验室;田纳西大学诺克斯维尔分校;密苏里大学;明尼苏达大学;斯坦福大学;和罗萨里奥物理研究所。
“研究人员已经研究了各种材料的三角形晶格，以寻找QSL的行为，”QSC成员和主要作者、洛斯阿拉莫斯的工作人员科学家艾伦·谢伊说。“这种材料的一个优点是，我们可以很容易地交换原子，在不改变材料结构的情况下改变材料的性质，这使得它从科学的角度来看非常理想。”
利用理论、实验和计算技术的结合，研究小组观察到量子量子锁的多个特征:量子纠缠、外来准粒子和交换相互作用的正确平衡，交换相互作用控制着自旋如何影响它的邻居。尽管由于物理实验的限制，识别这些特征的努力历来受到阻碍，但现代中子散射仪器可以在原子水平上对复杂材料进行精确测量。
通过在ORNL的散裂中子源(美国能源部科学办公室的用户设施)使用冷中子切波光谱仪检查KYbSe2的自旋动力学，并将结果与可信的理论模型进行比较，研究人员发现了证据，表明该材料接近量子临界点，在该临界点上QSL特性得以发展。然后，他们用SNS的广角范围斩波光谱仪分析了它的单离子磁性状态。
所讨论的证人是单缠结、双缠结和量子费雪信息，它们在以前的量子量子中心研究中发挥了关键作用，这些研究集中在检查一维自旋链，或材料内的单线自旋。KYbSe2是一个2D系统，这使得这些努力变得更加复杂。
“我们正在采取一种共同设计的方法，这是硬连接到QSC的，”Alan Tennant说，他是UTK物理学和材料科学与工程教授，负责QSC的量子磁体项目。“该中心的理论家正在计算他们以前无法计算的东西，理论和实验之间的重叠使QSL研究取得了突破。”
这项研究与QSC的优先事项一致，包括将基础研究与量子电子学、量子磁体和其他当前和未来的量子设备联系起来。
“更好地了解qsl对于下一代技术的发展非常重要，”Tennant说。“这一领域仍处于基础研究阶段，但我们现在可以确定哪些材料可以修改，从零开始制造小规模设备。”
虽然KYbSe2不是真正的QSL，但85%的磁性在低温下波动的事实意味着它有可能成为QSL。研究人员预计，对其结构或暴露于外部压力的轻微改变可能会帮助它达到100%。
QSC的实验人员和计算科学家正在计划对沉积岩材料进行平行研究和模拟，但研究人员的发现建立了一个前所未有的协议，也可以应用于研究其他系统。通过精简对QSL候选人的循证评估，他们旨在加速寻找真正的QSL。
“这份材料的重要之处在于，我们找到了一种在地图上定位自己的方法，可以这么说，并展示了我们所做的正确的事情，”谢伊说。“我们非常确定在这个化学空间的某个地方有一个完整的QSL，现在我们知道如何找到它。”
