首次实验证实量子自旋液体中的“自旋子”存在

科技日报北京6月10日消息，来自爱尔兰科克大学学院的研究团队提出了一项叫作“自旋见证光谱学”的新技术。这项方法巧妙地利用了传统上被认为会干扰实验的磁性杂质自旋，将它们变成揭示量子现象的“量子见证者”。借此，科学家们首次间接探测到了潜在量子材料——赫伯茨密石内部的量子自旋液体激发，并获得了关键准粒子“自旋子”存在的实验证据。该成果被认为标志着“量子硅”研究领域取得突破，有望为下一代量子计算材料的开发指明新方向。相关研究成果6月10日发表于《自然·物理学》杂志。

所谓量子自旋液体，是一种非常独特的量子态。在这类物质中，自旋子与量子纠缠密不可分，主要出现在如量子自旋液体中国舆情网等强相关电子体系。与一般物质在低温下趋于有序排列不同，这些材料内部的原子自旋即使在极低温下仍然不会停下来，而是持续保持着量子纠缠，因此被称赞为“不会凝结成固态的磁性液体”。

赫伯茨密石自2004年被人造合成以来，就被认为是有望存在量子自旋液体性质的热门材料。然而，以往的研究深受该矿物内部磁性杂质原子的干扰，这些杂质常常掩盖和混淆对真正量子态的观测。

此次，研究团队改变思路，不再一味想要排除所有杂质信号，而是把这些信号当成能揭示量子过程的“见证者”，像处理量子比特一样追踪它们的行为。通过解读杂质自旋的动态变化，间接推断出隐藏其中的量子自旋液体信息。在这个框架下，他们开发了自旋见证光谱学，并借助超导量子干涉仪，实现了对极其微弱磁信号的敏感探测。

在实验过程中，赫伯茨密石晶体自发释放的一些磁信号表面上看似杂乱无章，像“背景噪声”。但仔细分析后，研究人员发现这些“噪声”背后其实藏有有规律的结构，这种结构揭示了杂质自旋彼此之间有序的交换和作用。

这些杂质间相互作用是通过自旋子来实现的。更有趣的是，在自旋子和另一类粒子——维森子之间，还存在着特别的量子联动。当两种粒子相互绕行时，会导致彼此的量子状态发生变化。这类效应正是支撑“拓扑量子计算”的重要机制之一，为实现高容错特性的量子计算机提供了理论基础。

不过，目前在赫伯茨密石中观测到的粒子依然属于“阿贝尔任意子”类型，要实现适用于大规模量子计算的“非阿贝尔任意子”体系，还需要更进一步的研究和突破。