新型材料推动自旋电子学研究量子自旋液态

时间：2022-04-20 15:25:05 来源：

可以通过实验观察到QSL状态，这提高了我们对自旋行为及其在下一代“自旋电子”设备中的集成的了解。

对异物状态下的自旋行为的新见解使我们更接近下一代自旋电子器件。

除了对量子物理学理论提供的对自然界的深刻理解之外，世界各地的科学家们还在不懈地努力，通过利用这种在工程应用中获得的新知识来进行技术革命。自旋电子学是一个新兴领域，旨在通过使用电子自旋（可以粗略地视为其角旋转）作为一种传输信息的方式，从而超越传统电子学的极限。

但是，可以使用自旋操作的设备的设计极具挑战性，并且需要在异国情调下使用新材料，甚至某些科学家尚未完全理解并且还没有通过实验观察到的材料。日本东京科学大学应用物理系的科学家在《自然通讯》上发表的最新研究中，描述了一种新合成的分子式为KCu6AlBiO4（SO4）5Cl的化合物，这可能是理解难以捉摸的“量子自旋液体（QSL）”的关键）“ 状态。首席科学家藤冈昌义博士解释了他的动机：“观察QSL状态是凝聚态物理以及新自旋电子器件开发的最重要目标之一。但是，由于存在乱码或与理想模型的偏差，在二维材料（2D）中的QSL状态尚未在真实材料中清楚地观察到。”

量子自旋液态是什么？在低于特定温度的反铁磁材料中，电子的自旋自然会对准大规模的图案。但是，在处于QSL状态的材料中，自旋以类似于结晶冰相比液态水中的分子无序的方式无序。这种无序现象是由一种称为失意的结构现象引起的，在这种现象中，没有可能对所有电子对称且在能量上有利的自旋构型。KCu6AlBiO4（SO4）5Cl是一种新合成的化合物，其铜原子以一种特殊的2D模式排列，即所谓的“方形kagome晶格（SKL）”，这种排列有望通过挫折产生QSL状态。该研究的合著者三田节男教授指出：“缺乏用于SKL系统的模型化合物，阻碍了对其自旋状态的更深入了解。因此，我们合成了第一个SKL反铁磁体KCu6AlBiO4（SO4）5Cl，并证明在极低的温度（QSL状态）下没有磁序。

但是，使用标准的“ J1-J2-J3 SKL Heisenberg”模型通过理论计算无法获得获得的实验结果。该方法考虑了晶体网络中每个铜离子与其最近的邻居之间的相互作用。合著者森田胜宏博士解释说：为了消除差异，我们使用各种参数集，考虑了下一个最近邻居的相互作用，计算了一个SKL模型。不过，我们无法重现实验结果。因此，为了正确理解实验，我们需要在进一步的交互作用下计算模型。

正如合著者高山隆山教授得出的结论，实验与计算之间的分歧突出表明，有必要完善现有的理论方法。“虽然我们合成的SKL反铁磁体是研究SKL磁性的第一个候选人，但我们可能必须考虑更长程的相互作用才能在我们的模型中获得量子自旋液体。这是揭露QSL国家性质的理论挑战。”让我们希望物理学家设法应对这一挑战，使我们更加接近自旋电子学的美好前景。

参考：藤冈正敏，森田胜广，森田理查，三田节夫，高田敏山，矢野慎一郎，德宏宇，智田敏史，Ku井智彦，幸田昭宏，冈田弘隆，华利郎等人提出的“方孔戈格反铁磁体中的无间隙自旋液体” ，伊藤伸一（Shinichi Itoh），夏威夷高隆文（Takafumi Hawai），增田隆（Takatsugu Masuda），S山肇（Hajime Sagayama），松尾晃（Akira Matsuo），金一（Koichi Kindo），大平川村精子（Seiko Ohira-Kawamura）和中岛贤二（Kenji Nakajima），2020年7月9日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-17235-z

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