使用

3He-4He

稀釋冰箱，微波實驗可以在極低的溫度下進行：一個絕對零度的百分之幾。圖片來源：斯圖加特大學，康斯坦丁·德雷塞爾（Constantin Dressel）

量子自旋液體是一種物質狀態，其中相互作用的量子自旋即使在最低溫度下也不對齊，而是保持無序狀態。關於這種狀態的研究已經進行了將近50年，但是它的確存在的事實從未得到過毫無疑問的證明。斯圖加特大學的物理學家馬丁·德萊斯特教授領導的國際研究小組目前已經結束了關於量子自旋液體的夢想。儘管如此，此事仍然令人興奮。

當溫度降至零攝氏度以下時，水變成冰。但是，如果您將其降溫到足夠的程度，一切都會凍結嗎？在經典圖中，物質在低溫下固有地變成固體。但是，量子力學可以打破這一規則。因此，例如，氦氣在-270度下會變成液體，但在大氣壓下卻不會變成固體：沒有氦冰。

材料的磁效能也是如此：在足夠低的溫度下，例如被稱為“自旋”的磁矩以使它們彼此相鄰或相對平行的方式進行排列。可以將其想象為箭頭，它們沿著鏈條或棋盤格圖案上下交替變化。當圖案基於三角形時，它會變得令人沮喪：儘管兩個旋轉可以沿相反的方向對齊，但是第三個旋轉始終平行於其中一個旋轉而不是與另一個旋轉（無論如何旋轉）。

對於這個問題，量子力學提出了這樣一種解決方案，即兩個自旋的取向和鍵合不是剛性的，而是自旋波動。形成的狀態稱為量子自旋液體，其中自旋構成了一個量子機械糾纏的集合體。這個想法是大約五十年前由美國諾貝爾獎獲得者菲爾·安德森（Phil W。Anderson）（1923-2020）提出的。經過數十年的研究，在尋找這種奇特的物質狀態時，只剩下少量的真實材料。作為一種特別有前途的“候選物”，考慮了一種複雜有機化合物中的三角晶格，即使在極低的溫度下，也無法觀察到具有規則的上下模式的磁序。這是量子自旋液體確實存在的證據嗎？

自旋排列成三角形格子：兩個自旋形成一對，因此從外面看時它們的磁矩相互抵消。圖片來源：斯圖加特大學，PI1

一個問題是，測量到如此低的溫度下的電子自旋極具挑戰性，尤其是沿著不同的晶體方向和在可變磁場中。以前的所有實驗都只能或多或少地間接探測量子自旋液體，並且它們的解釋是基於某些假設和模型的。因此，斯圖加特大學物理研究所1多年來開發了一種寬頻電子自旋共振光譜學的新方法。

使用片上微波線，人們可以直接觀察到自旋的特性，下降到比絕對零值高百分之幾百的程度。在這樣做時，研究人員發現，磁矩不會以典型磁體的上下模式排列，也不會形成類似於液體的動態狀態。“實際上，我們在空間上分開的對中觀察到了自旋。因此，目前，至少對於這種化合物，我們的實驗已經打破了量子自旋液體的夢想，”物理學研究所所長Martin Dressel教授總結道。

但是，即使兩對子並沒有像希望的那樣波動，這種奇異的物質狀態對物理學家也沒有絲毫著迷。Dressel概述了下一步，“我們想研究在其他三角晶格化合物中甚至在完全不同的系統（例如蜂窩結構）中是否可以檢測到量子自旋液體”，Dressel概述了下一步。但是，也可能是自然界中根本不存在這種無序的動態狀態。如果溫度足夠低，也許每種相互作用都會以一種或另一種方式導致規則的佈置。旋轉就像配對。