新材料自旋电子学,进展中量子自旋液态的观察

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      对奇异物质状态下自旋行为的新认识使我们更接近下一代自旋电子器件。

      除了量子物理理论提供的对自然界的深刻理解之外,全世界的科学家都在不知疲倦地工作,通过在工程应用中利用这一新知识来引发一场技术革命。自旋电子学是一个新兴的领域,其目标是通过利用电子的自旋来超越传统电子学的极限,电子的自旋可以粗略地看作是它们的角旋转,作为一种传递信息的手段。

    量子自旋液态

      但是,能够利用自旋运行的设备的设计极具挑战性,并且需要在奇异状态下使用新材料——甚至一些科学家还没有完全理解并且还没有通过实验观察到的材料。在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中,日本东京科学大学应用物理系的科学家描述了一种新合成的化合物,分子式为KCu6AlBiO4(SO4)5Cl,这可能是理解难以捉摸的“量子自旋液体(QSL)”状态的关键。首席科学家藤原正芳博士解释了他的动机:“观察QSL态是凝聚态物理和新自旋电子器件发展中最重要的目标之一。”然而,在二维(2D)系统中的QSL状态在实际材料中没有被清楚地观察到,这是由于存在无序或偏离理想模型。”

      什么是量子自旋液态?在低于特定温度的反铁磁材料中,电子的自旋自然排列成大尺度的图案。然而,在QSL状态的材料中,自旋是无序的,就像液态水中的分子与结晶冰相比是无序的一样。这种无序是由一种叫做挫折的结构现象引起的,在这种现象中,不可能有对所有电子都是对称和能量有利的自旋结构。KCu6AlBiO4(SO4)5Cl是一种新合成的化合物,其铜原子以一种特殊的2D模式排列,称为“方形戈薇晶格(SKL)”,这种排列方式有望通过挫折产生QSL态。这项研究的合著者三田修教授说:“缺乏SKL体系的模型化合物阻碍了对其自旋状态的更深入理解。”受此启发,我们合成了第一个SKL反铁磁体KCu6AlBiO4(SO4)5Cl,并证明了在极低温度下不存在磁有序性——QSL态。”

      然而,所获得的实验结果不能通过使用标准的“J1-J2-JBOY3乐队·SKL·海森堡”模型的理论计算来复制。这种方法考虑了晶体网络中每个铜离子与其最近邻之间的相互作用。合著者森田胜弘博士解释说:“为了消除这种差异,我们使用不同的参数组计算了一个考虑次近邻相互作用的SKL模型。”尽管如此,我们还是无法重现实验结果。因此,为了正确理解实验,我们需要计算具有进一步相互作用的模型。”

      实验和计算之间的这种不一致凸显了改进现有理论方法的必要性,正如合著者Takami Tohyama教授所总结的那样:“虽然我们合成的SKL反铁磁物质是研究SKL磁性的第一个候选物质,但我们可能必须考虑更长距离的相互作用,才能在我们的模型中获得量子自旋液体。”这是对揭示QSL国家本质的理论挑战。”让我们希望物理学家能够应对这一挑战,让我们离自旋电子学的美好前景又近了一步。

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