自旋超固体出现在量子反铁磁体中 – 物理世界

中国、法国和澳大利亚的研究人员发现了一种称为自旋超固体的奇异量子态物质的新证据。这一发现是在具有三角形原子晶格结构的反铁磁材料中取得的，代表了基础物理学的突破，并且还可能有助于开发不需要液氦的新冷却技术，因为该材料还表现出巨大的磁热效应。

顾名思义，超固体是一种无摩擦流动的材料（如超流体），即使其组成颗粒排列在晶格中（如固体）。因此，这些材料打破了两个连续的对称性：由于晶体顺序而具有平移不变性；由于材料的无摩擦流动，因此具有规范对称性。

理论家在 1960 世纪 1980 年代预测，超固体应该存在于具有所谓移动玻色空位的量子固体中，即具有整数自旋值的原子在晶格中移动时留下的间隙。从 4 世纪 2004 年代开始，实验研究的重点是超固态可能出现在超流体氦 XNUMX 中。 XNUMX年，美国宾夕法尼亚州立大学的物理学家报告了这种材料具有超固态的证据。然而，同一研究人员进一步调查 透露他们错了，他们的观察结果可以是 以其他方式解释.

最近的实验 研究表明，沿一个方向拉长的偶极量子气体可以经历从常规玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）到具有超固体特性的状态的相变。偶极气体中的原子具有很大的磁矩，正是它们之间的相互作用导致了这些系统中的超固态。

层层证据

研究人员领导 苏刚 在 中国科学院大学 (CAS) 北京现在表示，他们在最近合成的反铁磁体中发现了超固体的量子磁性类似物，其化学式为Na₂钴酸钡(PO₄)₂。这种化合物被称为 NBCP，还表现出巨大的磁热效应，这意味着当施加和移除外部磁场时，它会急剧升温和冷却。

苏和同事 李伟 的 中国科学院理论物理研究所; 向俊森 和 孙培杰 来自 中国科学院物理研究所;和 金文涛 at 北京航空航天大学 在低于 1 K 的温度下进行了磁热测量。他们的实验数据与超固体量子相变的理论计算之间的出色一致性帮助他们相信他们正在观察一种新的自旋超固体。

进一步的证实来自于他们通过在 NBCP 的高质量样品上进行中子衍射实验而获得的微观证据。 劳埃-朗之万研究所 在法国和 澳大利亚核科学技术组织。 “衍射峰揭示了面内三亚晶格序、固序和面外方向的不可通约性，”苏说。 “后者可能与无间隙戈德斯通模式（玻色子对称性破缺的一种形式）的存在有关，因此支持化合物中自旋超流性的存在。”

新的物质量子态和新的冷却机制

CAS团队选择研究NBCP是因为它表现出强烈的低能自旋涨落，表明可能存在量子自旋液态。它也是一种反铁磁体，这意味着与具有平行电子自旋的传统铁磁体不同，它的电子自旋倾向于彼此反平行排列。这种反排列导致自旋之间产生强烈的相互作用。

在该团队的一名成员提出 NBCP 中可能存在自旋超固体后，李和刚询问他们的实验同事向、金和孙是否有可能在该化合物中寻找新的量子自旋态。 “他们确实观察到了物质的新量子态，即自旋超固体，”李回忆道。

除了揭示物质的新量子态之外，这一发现还可能导致新的无氦亚开尔文冷却方法。李告诉我们，这些在材料科学、量子技术和空间应用等领域受到高度追捧 物理世界.

超固体进入第二维度

李解释说，目前有两种主要方法可以将材料冷却到几开尔文温度。第一个是使用氦，它在温度低于 4.15 K 时会变成液体。第二个是利用磁热效应，其中某些材料在施加的磁场的影响下改变温度。这两种技术都有其缺点：氦气稀缺，因此价格昂贵，而用于磁热冷却的特殊化合物（称为水合顺磁盐）具有低磁熵密度、差的化学稳定性和低导热性。然而，李声称，新发现的自旋超固体中的巨磁热效应可以通过利用低能量下的集体自旋激发来“有效地克服这些缺点”。

寻找其他自旋超固体

研究人员现在正试图获得 NBCP 中自旋超固体的更多动力学证据。为此，Jin 表示，他们正在进行非弹性中子散射测量，以研究与自旋超流体序相关的戈德斯通模式。他们还计划进行偏振中子衍射实验以进一步加强他们的发现。

最后，该团队正在研究其他三角晶格化合物，以期识别其他自旋超固态或其他奇异自旋态。 “通过这样做，我们希望更好地理解产生这些有趣的物质量子相的潜在物理现象，”苏说。

他们目前的研究详细介绍于 自然.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/