佛罗里达州立大学的克里斯汀·科因 三氯化钌晶体结构的图解，显示钌离子和氯离子的简单蜂窝状晶格
氯围绕每个钌原子的电子自旋形成的扭曲八面体是彼此的镜像
这种扭曲是这种化合物异常行为的关键，这是它可能含有量子自旋液体的证据
荣誉:由阿尔卡季·谢赫特/国家强磁场实验室提供 总部设在佛罗里达州立大学的国家强磁场实验室的科学家使用一种新技术，发现了量子自旋液体的证据，这种物质状态有望成为未来量子计算机的构件
研究人员在研究三氯化钌化合物中所谓的电子自旋时发现了这种令人兴奋的行为
他们的发现发表在今天的《自然物理》杂志上，表明电子自旋在材料中相互作用，有效地降低了总能量
这种类型的行为——与量子自旋液体一致——在高温和高磁场下的三氯化钌中被检测到
1973年首次理论化的自旋液体仍然是个谜
尽管一些材料显示了这种物质状态的有希望的迹象，但要确定它的存在是极其困难的
然而，人们对它们很感兴趣，因为科学家们相信它们可以在各种应用中用于设计更智能的材料，例如量子计算
“这项研究为三氯化钌是一种自旋液体提供了强有力的支持，”物理学家金·莫迪克说，他曾是一名研究生，在磁实验室的脉冲场设施工作，现在是奥地利科学技术研究所的助理教授
“我认为这篇论文为三氯化钌提供了一个新的视角，并展示了一种寻找自旋液体特征的新方法，”该论文的主要作者Modic说
几十年来，物理学家们广泛研究了携带电的电子的电荷，为电子、能源和其他领域的进步铺平了道路
但是电子也有一种叫做自旋的属性
科学家们也想利用电子的自旋特性来获得技术，但是自旋的普遍行为还没有被完全理解
简单地说，电子可以被认为是在一个轴上旋转，就像陀螺一样，指向某个方向
在磁性材料中，这些自旋相互对齐，方向相同或相反
这种行为被称为磁排序，可以通过温度或磁场来诱导或抑制
一旦磁序被抑制，更多奇异的物质状态就会出现，比如量子自旋液体
在寻找自旋液体的过程中，研究小组把注意力集中在三氯化钌上
它的蜂窝状结构，每个位置都有一个自旋，就像石墨烯的磁性版本——凝聚态物理中的另一个热门话题
“钌比碳重得多，这导致了自旋之间的强相互作用，”该论文的合著者、马格实验室物理学家阿尔卡季·谢赫特说
研究小组预计这些相互作用会增强材料中的磁性挫折
这是一种“三人公司”的场景，其中两个旋转成对，第三个处于磁性边缘，这阻碍了磁性排序
该团队假设，这种挫败感可能会导致自旋液态
他们的数据最终证实了他们的怀疑
“在低温和外加磁场下，三氯化钌似乎显示出我们正在寻找的行为迹象，”莫迪克说
“自旋并不是简单地根据相邻自旋的排列来定向，而是动态的——就像旋转的水分子——同时保持它们之间的某种相关性
" Modic说，该团队开发的一种称为共振扭转磁测法的新技术使这些发现成为可能，该技术可以精确测量高磁场中电子自旋的行为，并可能导致对磁性材料的许多其他新见解。
“我们真的没有研究电子自旋激发的重要技术或分析机器，就像我们对电荷系统所做的那样，”莫迪克说
“现有的方法通常需要很大的样本量，这可能是不可用的
我们的技术非常灵敏，适用于微小、精细的样品
这可能会改变这个研究领域的游戏规则
" 莫迪克在博士后研究中开发了这项技术，然后与MagLab物理学家谢克特和该论文的另一位合著者罗斯·麦克唐纳合作，测量强磁场中的三氯化钌
他们的技术包括将三氯化钌样品安装在一根头发丝大小的悬臂上
他们重新设计了一个石英音叉——类似于石英晶体手表——在磁场中振动悬臂
他们没有用它来精确报时，而是通过测量振动频率来研究三氯化钌的自旋与外加磁场之间的相互作用
他们在国家磁实验室的两个强力磁铁中进行测量
Modic说:“我们的方法的优点是它是一个相对简单的设置，允许我们在35特斯拉电阻磁体和65特斯拉脉冲场磁体中进行测量。”
研究的下一步将是在磁实验室创世界纪录的100特斯拉脉冲磁体中研究这个系统
“这么高的磁场应该能让我们直接观察到自旋液态的抑制，这将有助于我们更多地了解这种化合物的内部运作，”谢克特说
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