预言成现实 神秘物质新形态证据被发现(图)

研究人员刚刚在一种现实材料中发现了一种神秘的物质新形态证据，该形态被称为“量子自旋液态”（quantum spin liquid）。（图片来源：橡树岭国家实验室）

【看中国2016年04月06日讯】（看中国记者许家栋编译）据“科学报告”网站（sciencealert.com）报道，研究人员刚刚在一种现实材料中发现了一种神秘的物质新形态证据。该形态被称为“量子自旋液态”（quantum spin liquid），它造成电子被分割成更小的准粒子。而目前电子则是物质基本微粒，是物质不可分割的组成部分。

40年前，科学家们首先预测在某些磁性材料中存在着这种物质形态。尽管对其存在有多个线索，他们却从来没有能够在自然界中发现其存在的证据。所以，他们现在能够在二维石墨烯（graphene）状物质中观察到“量子自旋液态”以及伴随它的离奇“费米子”（fermions）真是令人感到非常兴奋。

英国剑桥大学的研究人员约翰内斯•诺尔（Johannes Knolle）说：“这是一种已经被预言过但一直没有见过的新量子态。”

“量子自旋液态”

科学家观察到其最吸引人的特性—“电子分层分离”（electron fractionalisation）和在量子自旋状态（quantum spin state）下的电子分裂而成的“马约拉纳费米子”（Majorana fermions），从而在材料中发现“量子自旋液态”的证据。由于这些“马约拉纳费米子”可以作为量子计算机的基石，所以这个发现令人兴奋。

需要明确的是，电子实际上并没有分裂成更小的实物粒子（即意味着全新的粒子）。实际上所发生的情况是这种物质的新形态分割了电子，使之成为准粒子（quasiparticles）。这些不是真正的颗粒，而是物理学家用来解释和计算粒子奇怪行为的概念。

在含有“量子自旋液态”状态的材料中，即使磁性材料被冷却到绝对零度时，电子由于不能排列整齐，从而因为量子波动而引起相互纠缠。

一名研究人员Dmitry Kovrizhin说：“直到最近，我们甚至都不知道具有‘量子自旋液态’实验对象的样子。需要提出的一个问题是，如果曾经可能进行了‘量子自旋液态’的实验，我应该观察到了什么？”

量子计算机

为了弄清楚事情的原委，研究人员们与美国田纳西州“橡树岭国家实验室”（Oak Ridge National Laboratory）的一个团队一起工作，利用“中子散射技术”（neutron scattering techniques）在类似于三氯化钌（alpha-ruthenium chloride）的材料中寻找“电子分层分离”的证据。这种材料在结构上类似于石墨烯材料。

诺尔说：“这是对已知物质量子态简短名单的一个新补充。”

Kovrizhin补充说：“这是我们理解量子问题很重要的一步。这种乐趣在于，我们发现了另一种新的、以前从来没有见过的量子状态，它为我们提供了尝试新事物的新可能性。”

其中一些新的东西涉及到“量子计算机”（quantum computers），这种计算机将比普通电脑成倍的快。尽管这一切听起来很理论化，但实际上有一些非常令人兴奋的应用潜力。

这个研究结果已发表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上。