作者安德烈·萨勒斯，阿尔贡国家实验室 当磁性材料样本被加压到自旋液态时，艺术家对电子自旋的描绘受挫
信用:丹尼尔·哈斯克尔 这听起来像一个谜语:如果你拿两颗小钻石，在它们之间放一个小磁晶，慢慢地把它们挤在一起，你会得到什么？ 答案是磁性液体，这似乎违反直觉
液体在压力下变成固体，但通常不是相反
但是这一不寻常的关键发现，由美国先进光子源研究所的一组研究人员揭开了面纱
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能源部下属的阿贡国家实验室的科学用户设备办公室可能会为科学家提供高温超导和量子计算的新见解
尽管科学家和工程师们几十年来一直在利用超导材料，但高温超导体无电阻导电的确切过程仍然是一个量子力学之谜
超导体的迹象是失去电阻和磁性
高温超导体可以在高于液氮(320华氏度)的温度下工作，这使得它们对电网中的无损传输线和能源领域的其他应用很有吸引力
但是没有人真正知道高温超导体是如何达到这种状态的
这些知识是将这些材料的工作温度提高到环境温度所必需的，这是在节能电网中全面实现超导体所需要的
普林斯顿大学已故理论家菲尔·安德森在1987年提出的一个想法是将材料置于量子自旋液态，安德森认为这可能导致高温超导
关键是每种材料原子中电子的自旋，在某些条件下，它们可能会被推到一种状态，在这种状态下，它们会变得“沮丧”，无法将自己排列成有序的模式
为了缓解这种挫败感，电子自旋方向随时间波动，只在短时间内与相邻的自旋对齐，就像液体一样
正是这些波动可能有助于高温超导性所需的电子对的形成
丹尼尔·哈斯克尔(Daniel Haskel)是阿尔贡(Argonne射线科学部门(XSD)的物理学家和小组负责人，他领导一个研究小组在美国物理学会(APS)进行了一系列实验，正是为了做到这一点，他说，压力提供了一种“调节”电子自旋之间分离的方法，并将磁体驱动到一种受抑状态，在这种状态下，磁性在一定压力下消失，自旋液体出现
该小组包括阿尔贡助理物理学家吉尔伯托·法布里斯和物理学家金钟郁和金钟浩，他们都来自XSD
哈斯克尔小心翼翼地说，他的团队最近发表在《物理评论快报》上的结果并没有决定性地证明自旋液态的量子性质，在这种状态下，原子自旋即使在绝对零度也会继续运动——需要更多的实验来证实这一点
但他们确实表明，通过施加缓慢而稳定的压力，一些磁性材料可以被推到类似液体的状态，在这种状态下，电子自旋变得无序，磁性消失，同时保留了电子自旋所在原子的晶体排列
研究人员相信他们已经创造了一种自旋液体，其中的电子自旋是无序的，但不确定这些自旋是否纠缠在一起，这可能是量子自旋液体的迹象
哈斯克尔说，如果这是一种量子自旋液体，用这种方法创造一种液体的能力将会有广泛的意义
哈斯克尔说:“某些类型的量子自旋液体可以实现无误差的量子计算。”
“量子自旋液体是自旋状态的叠加，波动但纠缠
公平地说，这个过程，如果它创造了一种具有量子叠加的量子自旋液体，将会产生一个量子比特，量子计算机的基本构件
" 那么团队做了什么，又是怎么做的呢？这让我们回到钻石上，这是美国物理学会独特的实验装置的一部分
研究人员使用了两个钻石砧，切割方式与你在珠宝店看到的相似，底部较宽，边缘较窄且平坦
他们将较小的平边放在一起，在它们之间插入一个磁性材料样本(这里是锶铱合金)，然后推动
法布里斯说:“这个想法是，当你给它加压时，它会使原子靠得更近。”
“因为我们可以慢慢地做，我们可以连续地做，我们可以在压力上升时测量样品的性质
" 当法布里斯说压力施加得很慢时，他不是在开玩笑——他说，这些实验中的每一个都花了大约一周的时间，使用的样本直径约为100微米，或者约为一张薄纸的宽度
由于研究人员不知道在什么压力下磁性会消失，他们必须仔细测量每一个微小的增加
他们看到它消失了，大约20吉帕斯卡——相当于200，000个大气压，比地球上最深的海沟——太平洋马里亚纳海沟底部的气压高200倍
电子的自旋在短距离内保持相关，就像液体一样，但即使在低至1
5开尔文(457华氏度)
哈斯克尔说，诀窍是——也是创造自旋液态的关键——保持原子排列的晶体顺序和对称性，因为原子位置随机无序的不良影响会导致不同的磁性状态，而没有自旋液态的独特性质
哈斯克尔把电子的旋转比作城市街区的邻居——当他们越来越近时，他们都想让彼此开心，改变他们的旋转方向来匹配邻居的旋转方向
目标是让它们靠得如此之近，以至于它们不可能让所有的邻居都开心，从而“挫败”它们的旋转互动，同时仍然保持城市街区的结构
研究小组利用APS的强x光成像能力来测量样本的磁性，根据哈斯克尔和法布里斯的说法，APS是美国唯一可以进行这种实验的设施
法布里斯说，尤其重要的是，能够专注于一种类型的原子，而忽略其他类型的原子
法布里斯说:“样本非常小，如果你试图在大学实验室用其他技术测量磁性，你会从钻石砧座的部件中获得磁信号。”
“如果没有APS这样的光源，我们所做的测量是不可能的
它有独一无二的能力
" 现在团队已经达到了自旋液态，接下来呢？需要更多的实验来观察量子自旋液体是否已经产生
未来的实验将包括在自旋液态下更直接地探索自旋动力学和关联的本质
但哈斯克尔说，最近的结果为实现这些难以捉摸的量子态提供了一条途径，这可能会给超导和量子信息科学带来新的见解
哈斯克尔还提到了APS升级，这是一个巨大的项目，将看到仪器的亮度增加到1000倍
他说，这将允许对这些迷人的物质状态进行更深入的探索
“这取决于任何人的想象力，哪些令人惊讶的量子力学效应正在等待被发现，”他说
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