磁铁都服：团队让量子鬼魂在冰窟里跳舞，输电瓶颈或迎转机！

发布时间：2025-12-18 17:00:00  浏览量：31

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莱斯大学物理学家戴鹏程领导的国际研究团队近日宣布，他们在一种特殊的量子自旋液体中成功验证了涌现光子与分化自旋激发的共存。这项发表于《自然·物理》的突破性研究指出，氧化铈锆晶体构成了这种奇异物质状态的纯净三维范例，从而解答了困扰物理学界长达数十年的未解之谜。

这一发现不仅证实了真正的三维量子自旋液体的存在，更为研究深度纠缠物质及其在量子计算与无损耗能量传输等领域的应用开辟了全新的路径。

量子自旋液体长期以来令物理学家着迷，因其承载着支撑下一代颠覆性技术的潜力。与普通磁体中形成有序磁场的电子自旋不同，这类材料中的电子自旋即便在接近绝对零度的极低温下，依然拒绝形成传统的磁序。相反，它们的磁矩保持着强烈的量子纠缠并持续进行集体运动，从而产生一种类似于量子电动力学的奇异新兴行为。

“通过直接探测这些激发态，我们解答了一个重大的未解之谜，”莱斯大学物理与天文学系萨姆-海伦·沃登讲席教授戴鹏程表示，“这证实氧化铈锆晶体确实表现为真正的量子自旋冰——一种特殊的二维量子自旋液体。”

为了锁定这些稍纵即逝且难以捉摸的特征信号，研究团队采用了先进的极化中子散射技术。这种高精度的测量方法使他们能够在系统逼近绝对零度极限时，精准地分离出目标磁散射信号，并有效过滤掉其他背景干扰。

测量结果令人振奋：在零能级附近，科学家观测到了清晰的涌现光子信号。这是量子自旋冰区别于传统磁体常见相态的标志性特征。随后的比热测量进一步证实，这些预言中的涌现光子遵循着类似于声波在固体中传播的色散规律。

此前，科学界验证此类行为的多次尝试常因技术噪声和数据的碎片化而受挫。此次，由莱斯大学主导的团队通过改进样品制备工艺和使用高精度仪器，成功攻克了这些难题。该研究也得到了包括多伦多大学、保罗谢勒研究所、维也纳科技大学、劳厄-朗之万研究所以及罗格斯大学在内的全球顶尖实验室的鼎力支持。

在这类三维候选材料中，研究人员同时观测到了量子自旋冰的两个关键标志——涌现光子与自旋子。这一成果有力地化解了凝聚态物理学领域的长期争论，为探索新一代量子现象及潜在的技术路径提供了坚实的实验平台。

莱斯大学物理与天文学系研究员、论文第一作者高斌表示，这项发现完美印证了数十年的理论预期。“这一意外发现激励科学家深入探索此类独特材料，可能彻底改变我们对磁性物质及极端量子态下材料行为的认知。”