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科技日報實習(xí)記者 張佳欣
一個國際研究小組將一種特殊材料冷卻到接近絕對零度后發(fā)現(xiàn)，該材料中原子的一個核心性質(zhì)——它們的排列，并沒有像往常那樣“凍結(jié)”，而是保持在“液體”狀態(tài)，類似于水無論多冷都不會結(jié)冰。這種新的量子材料可作為模型系統(tǒng)，開發(fā)新型高靈敏度的量子傳感器。
日本東京大學(xué)固體物理研究所、美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)、德國馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所（MPI-PKS）和德累斯頓—羅森多夫赫爾姆霍茲中心（HZDR）的研究小組在最近的《自然·物理學(xué)》雜志上發(fā)表了這一研究成果。
原則上， 磁體也可被視為量子材料，因為磁性是基于材料中電子的固有自旋。HZDR德累斯頓高場磁實驗室（HLD）約亨·沃斯尼察教授解釋說：“在某些方面，這些自 旋可表現(xiàn)得像液體。”隨著溫度的下降，這些無序的旋轉(zhuǎn)會凍結(jié)，就像水凍結(jié)成冰一樣。某些類型的磁體，如鐵磁體，在它們的“冰點”以上是非磁性的，只有跌落 到該點以下時，它們才能成為永久磁鐵。
該團(tuán)隊打 算創(chuàng)造一種量子狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，與自旋相關(guān)的原子排列不會變得有序，即使在超低溫下也是如此，類似于液體即使在極端寒冷的情況下也不會凝固。為了達(dá)到 這種狀態(tài)，研究小組使用了一種特殊的材料——鐠、鋯和氧元素的化合物。他們假設(shè)，在這種材料中，晶格的特性將使電子自旋能以一種特殊的方式與原子周圍的軌 道相互作用。
經(jīng)過幾次 嘗試，該團(tuán)隊最終造出了足夠純凈的晶體。在一種低溫恒溫器中，研究人員逐漸將樣本冷卻到20毫開爾文（零下273.13攝氏度）。他們記錄了樣品在冷卻過 程和在磁場中的反應(yīng)，以及晶體對直接通過它的超聲波的反應(yīng)。如果自旋是有序的，它應(yīng)該會導(dǎo)致晶體行為的突然變化，比如長度的突然變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是長 度還是對超聲波的反應(yīng)都沒有突然變化。
量子材料具有非凡的性質(zhì)。例如，它們可在低溫下完全無損耗地導(dǎo)電。通常，即使溫度、壓力或電壓的微小變化也會極大地改變量子材料的行為。
研究結(jié)論是，自旋和軌道的顯著相互作用阻礙了有序化，這就是為什么原子保持在它們的液體量子狀態(tài)。這是第一次觀察到這樣的量子狀態(tài)，對磁場的進(jìn)一步研究證實了這一假設(shè)。研究人員表示，有朝一日，人們或許能夠利用這種新的量子態(tài)來開發(fā)高靈敏度的量子傳感器。