从理论幻想到实验现实，困扰科学家数十年的量子之谜终于解开，

景点排名 2025年12月23日 14:45 1 admin

物理学家长期追寻的一种奇异量子态终于从数学方程走进了实验室。莱斯大学戴鹏程领导的国际团队在《自然·物理学》发表的最新研究中，首次明确观测到铈锆氧化物晶体内部涌现出的类光子行为和分数化自旋激发。这一发现不仅证实了三维量子自旋冰的真实存在，更为探索深度量子纠缠物质开辟了前所未有的实验平台。

量子自旋液体代表着凝聚态物理学中最令人费解的现象之一。在普通磁性材料中，当温度降低时，磁性原子的自旋会逐渐排列成有序结构，形成铁磁或反铁磁状态。然而在量子自旋液体中，即使冷却到接近绝对零度，自旋依然拒绝形成任何长程有序，而是保持在高度纠缠的量子叠加态中，不停地涨落变化。这种状态类似于液体分子的无序运动，因此得名"自旋液体"，尽管材料本身是固态晶体。

更奇特的是，这种量子态会产生完全不同于组成它的基本粒子的准粒子激发。在铈锆氧化物中，研究团队观测到了两种关键的涌现激发：类似光子的无质量玻色子和携带分数化自旋的自旋子。前者表现得像电磁场的量子——光子，但它们并非真实的光，而是从磁性相互作用中涌现出来的集体模式。后者则更加反直觉：单个磁性原子携带的自旋是二分之一，但系统的激发态却表现为携带更小分数的准粒子。

技术突破解决测量难题

要在实验中捕捉这些难以捉摸的信号绝非易事。过去数十年来，物理学家一直在争论某些材料是否真的实现了量子自旋液体状态，还是仅仅表现出某些相似特征。技术干扰、样品缺陷和测量精度不足常常让实验结果模棱两可。研究团队第一作者、莱斯大学研究科学家高斌表示，这项工作克服了这些长期障碍，提供了清晰明确的证据。

科学家终于观测到从固体中逸出的幽灵般的“光子”，证实了一种奇异的量子态，这种量子态此前被认为只存在于纸面上。图片来源：AI/ScienceDaily.com

关键突破来自先进的极化中子散射技术。中子是探测磁性结构的理想探针，因为它们携带磁矩但不带电荷，可以深入材料内部探测自旋的排列和运动。通过精心控制中子束的偏振方向，研究人员能够选择性地测量他们关心的磁性散射信号，同时滤除其他类型的散射背景。这种技术在接近零温度的极端条件下尤其重要，因为温度越低，信号越微弱，背景噪音的影响就越显著。

实验在多个世界顶尖设施进行，包括法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所和德国慕尼黑的海因茨·迈尔-莱布尼茨中心。这些设施拥有强大的中子源和精密的探测器，能够在极低温度下进行高分辨率测量。研究团队还大幅改进了样品制备技术，生长出高质量的铈锆氧化物单晶，最大限度减少了可能干扰测量的杂质和缺陷。

测量结果揭示了接近零能量的涌现光子信号——这是量子自旋冰区别于传统磁性相的关键标志。在普通磁性材料中，磁激发通常具有一定的能隙，意味着需要一定的能量才能激发系统。而在量子自旋冰中，涌现光子的能量可以任意小，就像真空中的光子可以具有任意长的波长一样。这种无能隙特性是涌现量子电动力学的直接体现。

理论预言的实验检验

铈锆氧化物属于烧绿石结构的磁性材料，其晶格由相互连接的四面体组成。每个四面体的四个顶点上各有一个铈离子，携带磁矩。这种几何构型天然产生阻挫效应：任何一个自旋都无法同时满足与四个邻居的反铁磁相互作用，导致系统无法找到唯一的能量最低态，而是困在众多能量相近的构型之中。

理论物理学家早在二十世纪末就预言，这种阻挫配合量子涨落可能产生量子自旋冰态。在经典自旋冰中，自旋遵循"二进二出"规则：每个四面体中有两个自旋指向中心、两个指向外部，类似于水冰中氢原子的排列规律。当量子效应变得重要时，自旋不再固定于某个方向，而是处于多个方向的叠加态，导致更加丰富的物理现象。

多伦多大学的Yong Baek Kim及其合作者的理论工作预测，量子自旋冰应该表现出涌现的规范场结构，类似于描述光与物质相互作用的量子电动力学。在这个涌现的理论中，光子对应的就是研究团队观测到的无质量玻色激发，而电荷对应的则是磁单极子——另一种分数化激发。这些准粒子之间通过涌现的电磁相互作用耦合，形成一个完整的"类原子"物理体系，但所有这一切都发生在固体晶格的磁性自由度中。

研究团队还进行了比热测量，提供了独立的证据支持涌现光子的存在。比热反映了系统储存热能的能力，取决于其激发态的能谱结构。测量结果显示，铈锆氧化物在极低温下的比热表现出与理论预测一致的行为：涌现光子遵循类似于声波的色散关系，即激发能量与动量成正比。这种线性色散是无质量准粒子的特征，进一步证实了研究团队的发现。

通往量子技术的路径

确认铈锆氧化物为三维量子自旋冰不仅解决了基础物理问题，更开启了探索新型量子技术的可能性。量子自旋液体因其独特的拓扑性质和分数化激发，被认为可能支持拓扑量子计算。传统量子计算机面临的最大挑战之一是退相干：量子态极易受环境干扰而失去相干性。拓扑量子计算则利用拓扑保护的量子态，这些态对局域扰动具有天然的抗性。

量子自旋液体中的分数化准粒子可能具备非阿贝尔统计特性，这是实现拓扑量子计算的关键要素。当两个非阿贝尔任意子交换位置时，系统的量子态不仅获得一个相位因子，还会发生非平庸的幺正变换。这种性质可以用来编码和操纵量子信息，而编码在全局拓扑自由度中的信息对局域噪音免疫。

另一个潜在应用方向是无耗散能量传输。涌现光子和自旋子作为无能隙激发，可以在材料中长距离传播而不损失能量。如果能够精确控制和操纵这些准粒子，可能开发出新型的能量和信息传递方式。此外，量子自旋液体特有的长程量子纠缠也为量子传感和量子通信提供了新的物理基础。

戴鹏程强调，这项研究"解答了一个重要的未解之谜"，证实铈锆氧化物是真正的三维量子自旋冰。高斌则表示，这一结果鼓励科学家更深入研究此类独特材料，有可能改变我们对磁性及材料在极端量子状态下行为的理解。

该研究汇集了来自北美、欧洲和亚洲的研究机构，包括维也纳技术大学、保罗·谢勒研究所、罗格斯大学等。这种国际合作对于大型实验项目至关重要，因为它结合了不同机构在理论、样品制备、测量技术和数据分析方面的互补优势。项目得到了美国能源部、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及罗伯特·韦尔奇基金会的资助。

从诺贝尔奖得主菲利普·安德森在1973年首次提出量子自旋液体概念，到如今明确观测到其存在，半个世纪的探索终于取得决定性突破。这一成就不仅证实了理论物理的预言能力，也展示了实验技术进步如何最终让我们触及自然界最深层的量子奥秘。随着更多量子自旋液体被发现和表征，我们正在打开通往全新量子世界的大门。

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