一個(gè)國(guó)際研究小組將一種特殊材料冷卻到接近絕對(duì)零度后發(fā)現(xiàn)，該材料中原子的一個(gè)核心性質(zhì)——它們的排列，并沒(méi)有像往常那樣“凍結(jié)”，而是保持在“液體”狀態(tài)，類(lèi)似于水無(wú)論多冷都不會(huì)結(jié)冰。這種新的量子材料可作為模型系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)新型高靈敏度的量子傳感器。

日本東京大學(xué)固體物理研究所、美國(guó)約翰斯霍普金斯大學(xué)、德國(guó)馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所(MPI-PKS)和德累斯頓—羅森多夫赫爾姆霍茲中心(HZDR)的研究小組在最近的《自然·物理學(xué)》雜志上發(fā)表了這一研究成果。

原則上，磁體也可被視為量子材料，因?yàn)榇判允腔诓牧现须娮拥墓逃凶孕?。HZDR德累斯頓高場(chǎng)磁實(shí)驗(yàn)室(HLD)約亨·沃斯尼察教授解釋說(shuō)：“在某些方面，這些自旋可表現(xiàn)得像液體?！彪S著溫度的下降，這些無(wú)序的旋轉(zhuǎn)會(huì)凍結(jié)，就像水凍結(jié)成冰一樣。某些類(lèi)型的磁體，如鐵磁體，在它們的“冰點(diǎn)”以上是非磁性的，只有跌落到該點(diǎn)以下時(shí)，它們才能成為永久磁鐵。

該團(tuán)隊(duì)打算創(chuàng)造一種量子狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，與自旋相關(guān)的原子排列不會(huì)變得有序，即使在超低溫下也是如此，類(lèi)似于液體即使在極端寒冷的情況下也不會(huì)凝固。為了達(dá)到這種狀態(tài)，研究小組使用了一種特殊的材料——鐠、鋯和氧元素的化合物。他們假設(shè)，在這種材料中，晶格的特性將使電子自旋能以一種特殊的方式與原子周?chē)能壍老嗷プ饔谩?/p>

經(jīng)過(guò)幾次嘗試，該團(tuán)隊(duì)最終造出了足夠純凈的晶體。在一種低溫恒溫器中，研究人員逐漸將樣本冷卻到20 mK(-273.13 ℃)。他們記錄了樣品在冷卻過(guò)程和在磁場(chǎng)中的反應(yīng)，以及晶體對(duì)直接通過(guò)它的超聲波的反應(yīng)。如果自旋是有序的，它應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致晶體行為的突然變化，比如長(zhǎng)度的突然變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是長(zhǎng)度還是對(duì)超聲波的反應(yīng)都沒(méi)有突然變化。

量子材料具有非凡的性質(zhì)。例如，它們可在低溫下完全無(wú)損耗地導(dǎo)電。通常，即使溫度、壓力或電壓的微小變化也會(huì)極大地改變量子材料的行為。

研究結(jié)論是，自旋和軌道的顯著相互作用阻礙了有序化，這就是為什么原子保持在它們的液體量子狀態(tài)。這是第一次觀察到這樣的量子狀態(tài)，對(duì)磁場(chǎng)的進(jìn)一步研究證實(shí)了這一假設(shè)。研究人員表示，有朝一日，人們或許能夠利用這種新的量子態(tài)來(lái)開(kāi)發(fā)高靈敏度的量子傳感器。