一种被称为量子自旋液体(QSL)的类似液体的磁性物质状态是罕见的，但是美国能源部布鲁克海文国家实验室(DOE)的一项理论研究已经为科学家们指出了正确的方向，即找到可以维持这种状态的物质。
QSL状态只发生在电子自旋不有序的固体磁性材料中，甚至在最冷的温度下以流体运动的方式继续改变方向。相比之下，传统磁体中的电子则是按照某种重复的方式指向上或指向下。例如，在冰箱磁铁中，所有的自旋指向同一个方向。
科学家在20世纪70年代从理论上提出了QSLs的存在。然而，找到能够承载这种奇异状态的真正材料一直是一个挑战，这种奇异状态对应于可用于下一代能源和计算应用的非凡性能。
“很难找到合适的QSL材料，因为其中一个非常理想的成分是轨道自由度，”布鲁克黑文实验室凝聚态物理与材料科学(CMPMS)部门的凝聚态理论组组长、高级科学家阿列克谢·茨韦利克解释说。电子在轨道上围绕原子核的分布与行星围绕太阳的分布有些相似。通常，不同的轨道对应不同的能量。然而，在QSLs中，不同的轨道可以有相同的能量。为了排序，电子必须在等价的轨道中选择一个特定的轨道。当电子不仅要选择它们的轨道，还要选择它们的自旋方向时，量子涨落就会增加。强量子涨落通过阻止长程磁序的形成而导致QSL态。
本质上，这些受挫的电子有太多的选择。这种困境类似于杂货店里大量的冰淇淋产品或谷类食品。我们有越多的选择，就越难做出选择——或者在电子自旋的情况下，很难做出选择。
布鲁克海文的科学家们偶然发现了一种特殊物质的活跃轨道自由度。Emil Bozin是CMPMS分部x射线散射组的一名物理学家，他在研究一种由钠、钛、硅和氧(NaTiSi2O6)组成的类似翡翠的绿色矿物时，发现了这种矿物在高温下局部晶格结构的变形。在这类矿物中，这种变形通常只在低温下发生。他与茨韦利克团队的物理学家尹卫国分享了这一意想不到的结果。通过观察材料的晶体和电子结构，他们断定，每六个钛原子就有一个不同寻常的长度。有了这个结果，他们知道他们找到了目标。
尹说:“从这个实验中，我们得到了钛原子上有三个轨道的自由度在这种材料中是活跃的。”钛原子形成之字形链，以二为重复模式。因此，用类似于解决最小共倍数问题的方法，我们发现六原子的周期性对应于相邻的钛原子之间三个轨道的重复连接。”
为了研究这种材料的轨道和自旋动力学，这个团队——包括东北大学的理论物理学家Adrian feiguin——首先转向一种流行的计算建模方法，称为密度泛函理论(DFT)。通过DFT计算，他们确定了材料最低能量(基态)的电子结构。在这个电子结构模型的基础上，他们采用了一种最先进的迭代数值技术(时变密度矩阵重正化群)来分析材料的磁激发谱。他们的分析表明，用钌代替钛——实际上是调节原子的大小和能级，原子具有自旋和轨道自由度——可以产生更强的涨落来抑制磁序。
接下来，博津将通过x射线和中子散射实验探测钛和钌基矿物的磁响应，对这一预测进行实验验证。
“在这种情况下，理论和实验之间的相互作用至关重要，”尹说。博津出人意料的实验发现刺激了我们的理论研究，其结果将指导后续的实验。理论与实验的持续合作将加速QSLs的实现。
永磁体不结冰的材料有望在几个方面得到应用。例如，一个无序的自旋态可以提供一种高温超导的机制——在相对高于通常诱导超导态所需的低温温度下的电流的无损传输。量子自旋液体也可以用于量子计算，因为它有助于保持数据存储的量子信息比特(量子位)的完整性，否则这些信息比特就会被诸如热或磁场之类的外力损坏。
这项工作的所有作者都得到了美国能源部科学办公室的支持。
