美国能源部橡树岭国家实验室的科学家新发现：“螺旋旋转液体”的新型物态

8月19日上午，据报道，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们利用中子散射判断了一种特殊材料的原子结构能否承载一类名叫“螺旋旋转液体”的新型物态。通过追踪层状氯化铁磁体蜂窝状晶格中名为“自旋”现象的微小磁矩，该团队发现了首个能够容纳该物态的二维系统。

这一发现为未来针对物理现象的研究奠定了测试基础，或将推动新一代信息技术的发展，包括“分形子”和“斯格明子”。分形子为集体的量子化振动，在量子计算领域颇有发展前景。斯格明子则是一种新型磁性自旋纹理，可能会促进高密度数据存储技术的进步。

“能够容纳螺旋自旋液体的物质尤其令人激动，因为它们具有生成量子自旋液体、量子纹理、以及分形子激发的潜力。”此次研究带头人、橡树林国家实验室的高尚(音译)表示。

早有理论预测，蜂巢状晶格中可以容纳螺旋自旋液体。在这种新型物态中，自旋可以形成不断波动的螺旋开瓶器状结构。但直至此次研究之前，科学家始终未能找到二维系统中存在该物态的实验证据。二维系统由层状晶体物质构成，其中平面方向上的相互作用比叠加方向上的要强。

这条理论是十几年前提出的。高尚认为，氯化铁可以作为该理论的测试平台。他和此次研究的共同作者安德鲁·克里斯蒂安森一起找到了橡树岭国家实验室的同事迈克尔·麦圭尔(此人在二维材料的培养和研究方面颇有建树)，请他为中子衍射测量合成一份氯化铁样本。就像二维石墨烯在块状石墨中以蜂巢状碳单质晶格的形式存在一样，二维的层状铁在块状铁中同样以蜂巢状单层的形式存在。“此前曾有报告暗示，这种有趣的蜂巢状物质在低温下可以表现出复杂的磁性行为。”

“每一层蜂巢状铁的上下两侧都有氯原子，构成了‘氯-铁-氯’的夹板结构。”麦圭尔解释道，“每层夹板顶部的氯原子与上一层夹板底部的氯原子仅通过范德华力相连，二者之间的相互作用很弱，因此像这样的材料很容易剥成一层层薄片，最薄可至单层‘夹板’。这种特性很适合用于设备开发，也有助于我们理解量子物理从三维到二维的演变。”

RNL的研究人员 Shang Gao说：“承载螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能被用来产生量子自旋液体、自旋纹理和分子激发，”他领导了发表在《物理评论快报》上的这项研究。

一个长期存在的理论预测，蜂窝状的晶格可以承载螺旋自旋液体。这是物质的一个新阶段，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。

然而，在这项研究之前，二维系统中的这种相的实验证据一直缺乏。二维系统包括一个层状晶体材料，其中平面上的相互作用比堆积方向上的更强。

研究人员将三氯化铁确定为测试该理论的一个有希望的平台，该理论是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了来自ORNL的Michael McGuire，他在生长和研究二维材料方面有广泛的工作经验，询问他是否会合成和描述一个三氯化铁的样品，以便进行中子散射测量。就像二维石墨烯层作为纯碳的蜂窝状格子存在于块状石墨中一样，二维铁层作为二维蜂窝状层存在于块状三氯化铁中。“以前的报告暗示，这种有趣的蜂窝状材料在低温下可能显示出复杂的磁性行为，”McGuire说。

"每个蜂窝状的铁层在其上方和下方都有氯原子，构成氯-铁-氯板，"McGuire说。"一个板块顶部的氯原子通过范德瓦耳斯键与下一个板块底部的氯原子发生非常弱的相互作用。这种微弱的结合使得像这样的材料很容易被剥离成非常薄的层，往往是一个单一的板块。这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变是很有用的。"

在量子材料中，电子自旋可以有集体和外向的行为。如果一个自旋移动，所有的自旋都会做出反应--一种被爱因斯坦称为"远距离幽灵行动"的纠缠状态。该系统保持在一种挫折状态--一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠的电子波动以作出反应。

60年前，第一个氯化铁晶体的中子衍射研究是在ORNL进行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模拟、理论、成像和计算方面的广泛专业知识使其能够对磁性量子材料进行开拓性的探索，从而推动下一代信息安全和存储技术的发展。

绘制螺旋自旋液体中的自旋运动图是由美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施--辐照中子源和高通量同位素反应堆的专家和工具实现的。ORNL的合作者们对中子散射实验的成功至关重要。Clarina dela Cruz领导了使用HFIR的POWDER衍射仪的实验;刘耀华领导了使用SNS的CORELLI光谱仪的实验;Matthias Frontzek领导了使用HFIR的WAND2衍射仪的实验;Matthew Stone领导了操作SNS的SEQUOIA光谱仪的实验;以及Douglas Abernathy领导了操作SNS的ARCS光谱仪的实验。

“我们在SNS和HFIR测量的中子散射数据为螺旋自旋液相提供了令人信服的证据，”研究人员说。

我们前面已经看到了交换作用的一种导出，它可以被表示为自旋之间的相互作用，在量子力学的模型中，磁性与这样一些自旋的排列组合密切相关。当然，我们暂时不会深入，这一部分的目的仍然只是借这些重要的例子了解二次量子化语言的使用。

对于局域的电子系统，在不同的电子之间可以通过虚交换过程来传递自旋-自旋相互作用。因为电子是被束缚住的，电荷自由度基本被锁死，所以我们只需要重点关注这些局域在格点上的自旋。

我们先来考虑最基本的铁磁模型(反铁磁和铁磁尽管只有符号上的差距，但是性质相差很大)，一个自旋链：

H^=−J∑⟨mn⟩S^m⋅S^n这些自旋算符满足代数关系： [S^mi,S^nj]=iδmnϵijkS^nk并且，更加一般地，把这个模型推广，一个格点上的自旋是 S对于这个模型，经典地观察告诉我们所有自旋同向的态是基态，并且由于系统具有整体旋转对称性，这样的基态不是唯一的，我们写出其中一个：

|Ω⟩=⊗m|Sm⟩ ，其中 Smz|Sm⟩=S|Sm⟩我们可以通过对所有的自旋进行一个整体的旋转从而获得另一个基态，这是书上的一个小练习，我们要去验证系统确实具有一个整体的旋转对称性(我们只需要验证这一点就可以解决练习给出的问题，因为对称性是用来从新解中获得旧解的东西)。系统具有整体旋转不变性看起来是非常直观的，但是写如果真想写出来怎么验证还是有一点点长