研究发现，量子自旋冰的精细结构常数很大

诸平

A figure illustrating a chunk of the pyrochlore lattice of corner-sharing tetrahedra with an embedded Feynman diagram representing the interaction of a spinon and anti-spinon by exchange of a photon. The strength of that scattering process is proportional to the fine structure constant alpha in the material. Credit: Pace et al.

据物理学家组织网（Phys.org）2021年10月1日报道，研究发现，量子自旋冰的精细结构常数很大(Study finds that the fine structure constant of quantum spin ice is large)。

量子电动力学(Quantum electrodynamics简称QED)是控制真空中带电粒子和光行为的基本量子理论。量子电动力学中相互作用的强度是由精细结构常数α来量化的，α在我们的宇宙中是不变的和永恒的(α ~ 1/137)。精细结构常数的微小在物理世界中有着深远的影响，它决定了稳定化学元素的数量，使远距离和光通信成为可能，等等。

凝聚态物理（condensed matter physics）最近的一个重大发现，就是量子电动力学类理论（QED-like theories）描述了量子自旋冰（quantum spin ice）的行为，量子自旋冰是一类分块磁体（fractionalized magnets）。这些系统中的原子自旋不是按简单模式排列的，而是以复杂模式波动，直到可测量的最低温度。由此产生的相位的特征是磁荷（magnetic charges）的存在，磁荷与自旋背景中的类光波（light-like waves）相互作用。

美国波士顿大学（Boston University）、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT)以及德国马克斯-普朗克物理复合物系统研究所（Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme）的研究人员最近进行了一项研究，研究在量子自旋冰的QED中出现的精细结构常数（fine structure constant）。他们发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的论文表明，在量子自旋冰中，这个基本常数很大，这意味着这些磁系统可能是研究强粒子相互作用产生的物理现象的理想选择。

进行这项研究的研究人员中的二位即克里斯托弗·劳曼（Christopher R. Laumann）和Siddhardh C. Morampudi通过电子邮件告诉物理学家组织网（Phys.org）：“我们在思考量子自旋冰中突现QED的可能特征，发现最显著的特征涉及突现电荷（emergent charges）和光子之间的相互作用效应。然后我们意识到，表征这种相互作用强度的基本无量纲数(涌现的精细结构常数)在之前的任何工作中还尚未确定，而之前的工作只专注于表征光的涌现速度（emergent speed）。

克里斯托弗·劳曼、Siddhardh C. Morampudi和他们的同事开始研究量子自旋冰的精细结构常数，因为他们相信这将提供一个更完整的QED特征。观测到一个相对较大的α值对他们来说是一个惊喜，因为这样一个值将增强交互介导的突发性QED信号。

克里斯托弗·劳曼和Siddhardh C. Morampudi说:“通过大规模精确对角化来获取电通量管（electric flux tube）的能量成本，我们能够提取电荷。这使得我们能够在可计算的有限尺寸系统中，从晶格模型得到长波长突发QED。”

克里斯托弗·劳曼、Siddhardh C. Morampudi和他们的同事进行的数值模拟是第一次计算出量子电动力学中的精细结构常数，特别是在量子自旋冰中实现的。该团队表明，在他们模拟的系统中，α常数通常比通常QED的精细结构常数大一个数量级。此外，他们还证明，在量子自旋冰中，常数可以从零一直调到QED限制的最强耦合。

克里斯托弗·劳曼和Siddhardh C. Morampudi说:“通常量子电动力学的精细结构常数是很小的，并且是固定的，这是由自然提供的。拥有一个具有大且可调精细结构常数的突发QED，为理解QED过程提供了一个很好的平台，因为小耦合严重抑制了QED过程。”

微扰理论（perturbation theory）是研究量子场论（quantum field theories）的主要理论工具之一。然而，在过去的几十年里，许多研究人员已经开始探索场理论在强耦合情况下发生了什么，在这种情况下微扰理论不是一个特别有用的构想。

克里斯托弗·劳曼和Siddhardh C. Morampudi说:“如果我们在量子自旋冰中有一个强耦合QED的实验场地，就会产生各种各样的非微扰工具，可以对这些工具的有效性进行测试。我们的工作还确定了量子自旋冰是快速进化量子模拟器的一个伟大目标，作为回报，我们有望发现有趣的强耦合QED物理学。”

近年来，越来越多的物理学家开始研究量子自旋冰的候选者，特别是稀土烧绿石（rare-earth pyrochlores）。在这些研究中确定的一些候选者可能显示出额外的相互作用，使系统变得有序，而不是保持在量子自旋液相中。

克里斯托弗·劳曼、Siddhardh C. Morampudi和他们的同事计算出的大精细结构常数暗示了显著的相互作用介导效应的存在，例如在阈值附近非弹性中子散射截面（inelastic neutron scattering cross-section near threshold）的大增强。

克里斯托弗·劳曼和Siddhardh C. Morampudi说:“在某些材料中有一些诱人的物理线索，但是无序和小的能量尺度(例如限制中子散射的实验分辨率)到目前为止仍然是限制因素。在我们的下一步研究中，我们计划在量子自旋冰的潜在实现中探索大精细结构常数的更多含义，并推动在近期量子计算机中对它们的模拟。我们希望更好地理解强耦合QED中的开放问题是如何在这样的环境下得到回答的。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Salvatore D. Pace et al, Emergent fine structure constant of quantum spin ice is large. Physical Review Letters(2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.117205

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.117205

Siddhardh C. Morampudi et al, Spectroscopy of Spinons in Coulomb Quantum Spin Liquids, Physical Review Letters (2020).DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.097204