布朗大学的研究人员在理解量子自旋液体这种复杂的物质状态方面取得了长足进步。标准磁体会随着温度的降低而固化，而量子自旋液体则与之相反，始终处于一种波动状态。最近的一项研究以化合物 H3LiIr2O6 为重点，深入探讨了无序状态在这些材料中的作用。他们发现，量子液体状态并没有被无序模仿或破坏，而是发生了显著变化。这项研究为量子技术带来了希望，尤其是在量子计算领域。

布朗大学科学家领导的一项研究开始解决凝聚态物理学中一个长期存在的问题，即无序是否会模仿或破坏一种突出化合物中的量子液态。量子自旋液体很难解释，更难理解。

首先，量子自旋液体与水或果汁等日常液体无关，而是与特殊磁体及其自旋方式有关。在普通磁铁中，当温度降低时，电子的自旋基本上会冻结，形成一块固体物质。然而，在量子自旋液体中，电子的自旋不会冻结--相反，电子会像在自由流动的液体中一样，保持恒定的流动状态。

量子自旋液体是迄今为止设想出的最纠缠的量子态之一，它们的特性是科学家们认为可以推动量子技术发展的应用的关键。尽管人们对量子自旋液体进行了长达 50 年的探索，并有多种理论指出它们的存在，但从未有人看到过这种物质状态的确切证据。事实上，研究人员可能永远也看不到这种证据，因为直接测量量子纠缠是非常困难的，爱因斯坦将这种现象称为著名的"远距离幽灵行动"。这种现象被爱因斯坦称为"距离上的幽灵作用"，即两个原子被联系在一起，无论相隔多远都能交换信息。

无序在量子自旋液体中的作用

量子自旋液体的神秘性使人们对凝聚态物理学中的这种奇异材料产生了重大疑问，而这些疑问至今都没有答案。但在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表的一篇新论文中，由布朗大学牵头的物理学家团队开始揭示其中一个最重要的问题，并通过引入一种新的物质相来实现这一目标。这一切都归结于无序。

布朗大学物理学助理教授、这项新研究的资深作者坎普-普拉姆解释说，"所有材料在某种程度上都存在无序性"，而无序性与一个系统中成分的微观排列方式的数量有关。例如，有序系统（如固体晶体）很少有重新排列的方式，而无序系统（如气体）则没有真正的结构。

在量子自旋液体中，无序带来的差异基本上与液体背后的理论背道而驰。一种流行的解释是，当引入无序时，材料就不再是量子自旋液体，而只是处于无序状态的磁体。"因此，最大的问题是量子自旋液体状态是否能在无序状态下存活，如果能存活，又是如何存活的？"普拉姆说。

为了解决这个问题，研究人员使用了世界上最明亮的 X 射线来分析他们研究的化合物中的磁波，以寻找量子自旋液体的蛛丝马迹。测量结果表明，这种材料不仅不会在低温下发生磁有序（或冻结），而且系统中存在的无序状态也不会模仿或破坏量子液体状态。

他们发现，无序确实会明显改变这种状态。

"量子液态还能存活，"普拉姆说："它不会像普通磁铁那样冻结。它保持着这种动态状态，但它就像是动态状态的去相关版本。我们现在的解释是，量子自旋液体在整个材料中被分解成小水洼。"

影响和未来研究

研究结果基本上表明，他们所研究的材料是量子自旋液体的主要候选材料之一，看起来确实接近于量子自旋液体，但却多了一种成分。研究人员认为，这是一种无序的量子自旋液体，是无序物质的一个新阶段。

普拉姆说："在这种材料中可能发生的一件事是，它变成了非量子自旋液体状态的无序版本，但我们的测量结果会告诉我们这一点。相反，我们的测量结果表明，这是一种非常不同的状态。"

这些结果加深了我们对无序状态如何影响量子系统以及如何解释无序状态的理解，这对于探索这些材料在量子计算中的应用非常重要。

这项工作是布朗大学普拉姆实验室长期以来对奇异磁态研究的一部分。这项研究的重点是化合物 H3LiIr2O6，这种材料被认为最符合被称为基塔耶夫自旋液体的特殊类型量子自旋液体的原型。虽然众所周知 H3LiIr2O6 在低温下不会冻结，但在实验室中生产 H3LiIr2O6 却出了名的困难，而且众所周知 H3LiIr2O6 中存在无序性，这就模糊了 H3LiIr2O6 是否真的是一种自旋液体。

布朗大学的研究人员与波士顿学院的合作者一起合成了这种材料，然后利用伊利诺伊州阿贡国家实验室强大的 X 射线系统，用高能量光照射这种材料。光激发了化合物中的磁性，从它产生的波中进行测量是测量纠缠的一种变通方法，因为这种方法提供了一种观察光如何影响整个系统的方法。

研究人员希望通过改进方法、材料本身以及研究不同的材料，继续拓展这项工作。

普拉姆说："未来最大的事情就是我们一直在做的事情，那就是继续搜索元素周期表为我们提供的真正广阔的材料空间。现在，我们对元素的不同组合如何影响相互作用或产生不同种类的无序从而影响自旋液体有了更深入的了解。我们有了更多的指导，这真的很重要，因为这确实是一个非常广阔的探索领域。"