量子材料的一种新状态

诸平

The 25.9 Tesla magnet and neutron spectrometer at the research facility at the Helmholtz-Zentrum Berlin. Credit: Ellen Fogh (EPFL)

据瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne简称EPFL, CH-1015, Lausanne, Switzerland）2024年1月24日提供的消息，EPFL的科学家们在量子物理学方面开辟了新天地，揭示了量子磁性材料中神秘而独特的行为，并暗示了未来的技术突破。详见《量子材料的一种新状态》（A new state in a quantum material）报道。相关研究结果于2024年1月10日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Ellen Fogh, Mithilesh Nayak, Oleksandr Prokhnenko, Maciej Bartkowiak, Koji Munakata, Jian-Rui Soh, Alexandra A. Turrini, Mohamed E. Zayed, Ekaterina Pomjakushina, Hiroshi Kageyama, Hiroyuki Nojiri, Kazuhisa Kakurai, Bruce Normand, Frédéric Mila, Henrik M. Rønnow. Field-induced bound-state condensation and spin-nematic phase in SrCu₂(BO₃)₂ revealed by neutron scattering up to 25.9 T. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 442. DOI: 10.1038/s41467-023-44115-z. Published: 10 January 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-023-44115-z

参与此项研究的除了来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员之外，还有来自德国柏林材料与能源海尔姆霍尔茨中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, D-14109, Berlin, Germany）、英国卢瑟福阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory, Harwell, OX11 0QX, UK）、日本科学与社会综合研究机构{Comprehensive Research Organization for Science and Society (CROSS), Tokai, Ibaraki, Japan}、瑞士保罗·谢勒研究所（Paul Scherrer Institute, CH-5232, Villigen-PSI, Switzerland）、卡塔尔卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University in Qatar, Education City, PO Box 24866, Doha, Qatar）、日本京都大学（Kyoto University, Nishikyo-ku, Kyoto, Japan）以及日本东北大学（Tohoku University, Sendai, Japan）的研究人员。

在量子物质的神秘世界里，事物并不总是像我们预期的那样运行。这些材料具有受量子力学规则支配的独特特性，这通常意味着它们可以完成传统材料无法完成的任务——比如导电无损——或者具有在先进技术中可能被证明有用的磁性。

量子材料中的磁振子（Magnons in quantum materials）

一些量子材料的特点是被称为磁振子（magnons）的微小电磁波穿过它们，其行为方式令人费解。理解磁振子有助于我们揭开磁铁在微观层面上如何工作的秘密，这对下一代电子产品和计算机至关重要。

科学家们一直在研究这些磁振子在强磁场下的行为，他们认为他们知道会发生什么——直到现在。在一项新的研究中，由EPFL的亨利克·朗诺（Henrik Rønnow）和弗雷德里克·米拉（Frédéric Mila）领导的研究人员在量子材料硼酸锶铜{SrCu₂(BO₃)₂}中发现了一种新的、意想不到的行为。这项研究挑战了我们目前对量子物理学的理解，但也暗示了未来技术令人兴奋的可能性。

不再是唯一的选择（The only game in town）

但为什么是这种材料呢?具体细节是相当技术性的，而SrCu₂(BO₃)₂在量子材料领域很重要，因为它是“沙斯特里-萨瑟兰德模型”（"Shastry-Sutherland model"）的唯一已知的现实世界的例子，“沙斯特里-萨瑟兰德模型”是一个理论框架，用于理解原子的排列和相互作用阻止它们进入简单有序状态的结构。

这些结构被称为“高度受挫的晶格”（ "highly frustrated lattices"），经常赋予量子材料复杂的、不寻常的行为和性质。因此，SrCu₂(BO₃)₂的独特结构使其成为研究复杂量子现象和跃迁的理想候选者。

中子散射和大磁场（Neutron scattering and massive magnetic fields）

为了研究SrCu₂(BO₃)₂中的磁振子，科学家们使用了一种叫做中子散射（neutron scattering）的技术。从本质上讲，他们向材料发射中子，并测量它们的偏转。中子散射在研究磁性材料方面特别有效，因为中子是中性的，可以在不受材料中电子和原子核电荷干扰的情况下破译磁性。

这项工作是在德国柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）的高场中子散射设施进行的，该设施能够探测高达25.9特斯拉（25.9 Tesla）的磁场，使其成为前所未有的磁场研究水平，使科学家能够直接观察到磁振子的行为。

然后，他们将数据与一种强大的计算方法——“圆柱体矩阵-产物状态”（"cylinder matrix-product-states"）计算相结合，此方法有助于证实中子散射的实验观察结果，并了解材料的二维量子行为。

孤掌难鸣（It takes two to tango）

这种独特的方法揭示了一些令人惊讶的事情:这种材料的磁振子并没有像预期的那样表现为单一、独立的统一，而是配对，形成了“束缚态”（"bound states"）——就像配对跳舞一样，而不是独自跳舞。

这种不寻常的配对导致了一种新的、意想不到的量子态，它对材料的性质有影响:“自旋向列相”（"spin-nematic phase"）。把它想象成冰箱上的磁铁:通常情况下，它们指向北方或南方(这是自旋)，但这个新相与它们指向的方向无关，而是它们如何相互对齐，从而形成独特的模式。 这是一个令人兴奋的发现。它揭示了磁性材料的一种前所未有的行为。量子物理学中隐藏规则的发现可能会给我们带来新的方法，将磁性材料用于量子技术，这是我们以前从未想过的。

本研究得到了欧洲研究理事会(European Research Council through the Synergy network HERO Grant No. 810451)、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation through Project Grant No. 188648）以及卡塔尔基金会（Qatar Foundation through the Seed Research Funding Program of Carnegie Mellon University in Qatar）的资助。

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。

Abstract

In quantum magnetic materials, ordered phases induced by an applied magnetic field can be described as the Bose-Einstein condensation (BEC) of magnon excitations. In the strongly frustrated system SrCu₂(BO₃)₂, no clear magnon BEC could be observed, pointing to an alternative mechanism, but the high fields required to probe this physics have remained a barrier to detailed investigation. Here we exploit the first purpose-built high-field neutron scattering facility to measure the spin excitations of SrCu₂(BO₃)₂ up to 25.9 T and use cylinder matrix-product-states (MPS) calculations to reproduce the experimental spectra with high accuracy. Multiple unconventional features point to a condensation of S = 2 bound states into a spin-nematic phase, including the gradients of the one-magnon branches and the persistence of a one-magnon spin gap. This gap reflects a direct analogy with superconductivity, suggesting that the spin-nematic phase in SrCu₂(BO₃)₂ is best understood as a condensate of bosonic Cooper pairs.