经过 50 年探索，哈佛物理学家团队终于记录到凝聚态物理学中预测的新物质状态，称为量子自旋液体（quantum spin liquid）。研究人员能实际操纵这种奇异状态以了解相关量子特性，有朝一日更可推进制造出更强大的量子电脑技术。
虽然名为量子自旋液体（quantum spin liquid），但这种状态其实与水、饮料等日常可见液体无关联，而是普林斯顿物理学家菲利普·安德森（Philip Anderson）于 1973 年首次预测的一种物质相，与低温环境下磁铁永不冻结的磁矩及当中电子旋转方式有关。
首先我们要了解一般磁铁的工作原理：一般磁性材料由许多具稳定磁矩的原子或小原子集团构成，随着磁矩之间相互作用而产生磁性，一类为铁磁相互作用：两个相邻的磁矩排成同一方向；另一类是反铁磁相互作用：相邻的磁矩排成相反方向。
在普通磁铁中，当温度下降到某个点，电子会稳定下来并形成具磁性的固体物质；但在量子自旋液体中，电子无法以规则、稳定的方式排列磁矩，且不会形成固体，最后变成在复杂的量子态中不断纠缠和切换，就像液体一样。
物理学家预测这种行为会引起许多有趣现象，且其特性可用于推进高温超导体、量子电脑等量子技术，但尽管理论趋于完善，50 年来仍没有真实例子可以让科学家观摩量子自旋液体。
直到现在，由哈佛大学领导的一组团队首次创造并观察到了量子自旋液体。
研究人员利用称为“可编程量子模拟器（programmable quantum simulator）”的特殊量子电脑，以激光将 219 个铷原子各自保持在三角形晶格中，也就是说每个原子都有 2 个邻居，因此其中一对电子磁矩可对齐并维持稳定，但第三个电子的加入会破坏这种平衡。
而从实验中原子纠缠联系结果来看，团队表示确实由此形成了具量子纠缠特性的量子自旋液体，比如纠缠和量子叠加，前者指 2 个原子就算距离很远也能相互影响甚至互相传送讯息，后者指原子可同时以多种状态存在。
从这项研究中学到的知识，有朝一日可以替科学家设计出更好的量子材料。更具体地说，来自量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大量子位元的关键──被称为拓扑量子位元，能抵抗噪音和外部干扰。
新论文发表在《科学》（Science）期刊。
- Harvard scientists observe new state of matter, a quantum spin liquid
- Scientists Observe Quantum Spin Liquids: A State of Matter We’ve Never Seen Before
- Step in quest for quantum computing
（首图来源：pixabay）
延伸阅读：
- 实验证据支持有争议的理论，极端条件下电子实际上由 2 个粒子组成
