自旋态的故事：新型材料中量子自旋液态的观察

除了对量子物理学理论提供的对自然界的深刻理解之外，世界各地的科学家们还在不懈地努力，通过利用这一在工程应用中获得的新知识来进行技术革命。自旋电子学是一个新兴的领域，旨在通过使用电子自旋(可以粗略地视为其角旋转)作为一种传输信息的方式，从而超越传统电子学的极限。

但是，可以使用自旋操作的设备的设计极具挑战性，并且需要在异乎寻常的状态下使用新材料-甚至一些科学家尚未完全理解并且还没有进行实验观察的材料。在最近发表于《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，其分子式为KCu6AlBiO4(SO4)5Cl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Masayoshi Fujihala博士解释了他的动机：“观察QSL状态是凝聚态物理以及新自旋电子器件开发的最重要目标之一。但是，二维(2D)系统中的QSL状态由于存在混乱或与理想模型的偏差，在实际材料中尚未清楚地观察到。”

量子自旋液态是什么?在低于特定温度的反铁磁材料中，电子的自旋自然会对准大规模的图案。但是，在处于QSL状态的材料中，自旋以类似于结晶冰相比液态水中的分子无序的方式无序。这种无序现象是由一种称为沮丧的结构现象引起的，在这种现象中，没有可能对所有电子对称且在能量上有利的自旋构型。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kagome晶格(SKL)”，这种排列有望通过挫折产生QSL状态。该研究的合著者Setsuo Mitsuda教授指出：“缺乏SKL系统的模型化合物，阻碍了对其自旋态的更深入理解。为此，我们合成了KCu6AlBiO4(SO4)5Cl ，是第一个SKL反铁磁体，并且证明了在极低的温度(QSL状态)下没有磁性排序。”

但是，使用标准的“ J1-J2-J3SKL Heisenberg”模型通过理论计算无法获得获得的实验结果。该方法考虑了晶体网络中每个铜离子与其最近邻元素之间的相互作用。合著者森田胜宏博士解释说：“为消除差异，我们使用各种参数集考虑了近邻的相互作用，计算了SKL模型。尽管如此，我们仍无法重现实验结果。因此，请理解实验正确地，我们需要通过进一步的交互来计算模型。”

实验与计算之间的分歧突出表明，有必要完善现有的理论方法，正如合著者高山隆夫教授得出的结论：“虽然我们合成的SKL反铁磁体是研究SKL磁性的第一个候选人，但我们可能不得不考虑更长距离的相互作用在我们的模型中获得量子自旋液体。这是揭示QSL状态本质的理论挑战。”让我们希望物理学家设法应对这一挑战，使我们更加接近自旋电子学的美好前景。

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