物理學家於自旋液體中發現隱藏維度

研究人員在三角分子晶格中發現了出乎意料的類似一維自旋行為，這挑戰了對量子自旋液體的傳統理解。量子自旋液體是一種特殊的物質狀態，其中的磁自旋保持無序，不會形成固定模式。芝浦工業大學的石井康之教授及其團隊研究了β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂這種材料，原本認為它會呈現二維量子自旋液體的特性，然而研究結果顯示，它實際展現出的是一維自旋動力學，推翻了先前的假設。這一突破加深了我們對磁性的理解，並可能為量子材料和未來技術的新進展鋪平道路。

量子自旋液體（QSLs）是一種神秘且引人入勝的物質狀態，它違反了磁性的常規規則。早在1970年代，諾貝爾獎得主物理學家菲利普·安德森就提出了這種材料的概念，這些材料即使在接近絕對零度（絕對零度是熱力學溫標上的理論最低溫度，在此溫度下，物體的所有原子都處於靜止狀態，物體既不發射也不吸收能量，國際公認的該溫度值為 -273.15°C（-459.67°F；0.00 K））的情況下，也不會形成固定的磁狀態。相反，其內部的原子自旋會不斷運動，相互波動和糾纏，形成一種類似流體的磁狀態。這種異常行為是由磁阻挫引起的，即相互競爭的相互作用阻止了系統形成有序模式。

研究量子自旋液體極具挑戰性。與典型的磁性材料不同，它們不會經歷明顯的磁性轉變，這使得用傳統方法難以探測它們。因此，它們的特性仍然是凝聚態物理學中尚未解決的重大難題之一。

β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂這種具有三角晶格的分子晶體，一直是展現量子自旋液體行為的有力候選材料。自旋的排列方式導致了內在的阻挫，因為相鄰自旋之間的相互作用無法同時得到滿足。這種結構看似非常適合形成量子自旋液體狀態，但早期研究雖表明它可能表現得像量子自旋液體，但科學家們不確定它是否真的是二維量子自旋液體，還是有其他因素（如維度降低）影響了它的行為。這個問題正是當前研究的核心。

最近，由芝浦工業大學的石井康之教授、理研先端研究叢集的大島裕吾和瀨尾仁、盧瑟福阿普爾頓實驗室的弗朗西斯·L·普拉特以及熊本大學的津村隆夫等人參與的一項研究，發表在《物理評論快報》（《物理評論快報》（PRL）是美國物理學會出版的著名同行評審科學期刊，於1958年創刊，以快速發表各物理領域重大基礎研究的短篇報告而聞名。它為研究人員提供了一個快速分享具有突破性和創新性發現的平臺，這些發現可能會改變或增進對粒子物理學、量子力學、相對論和凝聚態物理學等領域的理解。該期刊因其嚴格的同行評審過程和對高影響力論文的關注而在科學界備受推崇，這些論文往往能為物理學領域提供基礎性的見解）上，為這個謎團提供了有趣的見解。

石井教授和大島博士分別在μ子自旋旋轉（µSR）和電子自旋共振（ESR）實驗中獨立觀察到了β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂的一維自旋行為跡象，但這些結果與傳統的二維三角磁體概念相差甚遠，因此他們在解釋這些結果時遇到了困難。於是，他們向瀨尾博士、津村副教授及其同事尋求理論分析。最終，研究人員利用先進的理論模型發現，這種材料的自旋動力學主要由準一維（1D）行為主導，這挑戰了對二維量子自旋液體的傳統預期。

作為磁共振和新型磁現象方面的專家，作者們將電子自旋共振和μ子自旋旋轉與理論模型相結合，對β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂進行了研究。「我們提出了一種不同的實驗方法，利用電子自旋共振和μ子自旋旋轉來研究β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂的基態。」作者之一石井教授在介紹他們的研究時解釋道。電子自旋共振透過分析材料中電子的磁響應來測量自旋各向異性和擴散。μ子自旋旋轉則透過追蹤μ子自旋與磁場的相互作用，深入瞭解材料的自旋弛豫動力學和維度。這些實驗技術還輔以密度泛函理論（DFT）計算和擴充套件哈伯德模型模擬，以瞭解電子結構和磁相互作用。他們發現，β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂的自旋行為主要由準一維動力學主導，而非預期的二維行為。

儘管一維自旋擴散通常應出現在磁相互作用最強的方向，但根據先前的理論計算，電子自旋共振所指示的方向在三角晶格中被認為是相互作用最弱的方向。這令人驚訝，因為材料的二維結構讓科學家們預期會出現二維自旋動力學。μ子自旋弛豫實驗證實了這些結果，自旋弛豫中的B⁻⁰.⁵模式是一維自旋擴散的標誌。電子自旋共振也支援了這一點，表明自旋運動具有各向異性，即與方向有關。

「量子自旋液體的獨特特性在下一代技術（如量子計算機和自旋電子學裝置）中有著未來應用的潛力。目前的研究是邁向這一基礎的重要一步，並將為未來的技術創新開闢道路。」共同作者大島裕吾在描述該研究的貢獻時補充道。

儘管有了這些新的見解，但在這種情況下維度降低究竟是如何起作用的，仍然存在問題。磁阻挫、量子漲落和多軌道效應之間的關係需要進一步研究。石井教授及其團隊計劃將他們的方法應用於研究其他量子自旋液體候選材料，旨在揭示支配這些材料的普遍規則。

他們的工作強調了使用電子自旋共振和μ子自旋旋轉等先進技術來應對研究量子自旋液體挑戰的重要性。透過證實量子自旋液體狀態的存在並能動態測量，這項研究讓研究人員更接近於挖掘這些奇特材料的全部潛力。

參考文獻：Yugo Oshima、Yasuyuki Ishii、Francis L. Pratt、Isao Watanabe、Hitoshi Seo、Takao Tsumuraya、Tsuyoshi Miyazaki和Reizo Kato所著的《分子自旋液體系統中的準一維自旋動力學》，2024年12月3日，《物理評論快報》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.236702