預言成現實 神秘物質新形態證據被發現(圖)

研究人員剛剛在一種現實材料中發現了一種神秘的物質新形態證據，該形態被稱為「量子自旋液態」（quantum spin liquid）。（圖片來源：橡樹嶺國家實驗室）

【看中國2016年04月06日訊】（看中國記者許家棟編譯）據「科學報告」網站（sciencealert.com）報導，研究人員剛剛在一種現實材料中發現了一種神秘的物質新形態證據。該形態被稱為「量子自旋液態」（quantum spin liquid），它造成電子被分割成更小的準粒子。而目前電子則是物質基本微粒，是物質不可分割的組成部分。

40年前，科學家們首先預測在某些磁性材料中存在著這種物質形態。儘管對其存在有多個線索，他們卻從來沒有能夠在自然界中發現其存在的證據。所以，他們現在能夠在二維石墨烯（graphene）狀物質中觀察到「量子自旋液態」以及伴隨它的離奇「費米子」（fermions）真是令人感到非常興奮。

英國劍橋大學的研究人員約翰內斯•諾爾（Johannes Knolle）說：「這是一種已經被預言過但一直沒有見過的新量子態。」

「量子自旋液態」

科學家觀察到其最吸引人的特性—「電子分層分離」（electron fractionalisation）和在量子自旋狀態（quantum spin state）下的電子分裂而成的「馬約拉納費米子」（Majorana fermions），從而在材料中發現「量子自旋液態」的證據。由於這些「馬約拉納費米子」可以作為量子計算機的基石，所以這個發現令人興奮。

需要明確的是，電子實際上並沒有分裂成更小的實物粒子（即意味著全新的粒子）。實際上所發生的情況是這種物質的新形態分割了電子，使之成為準粒子（quasiparticles）。這些不是真正的顆粒，而是物理學家用來解釋和計算粒子奇怪行為的概念。

在含有「量子自旋液態」狀態的材料中，即使磁性材料被冷卻到絕對零度時，電子由於不能排列整齊，從而因為量子波動而引起相互糾纏。

一名研究人員Dmitry Kovrizhin說：「直到最近，我們甚至都不知道具有‘量子自旋液態’實驗對象的樣子。需要提出的一個問題是，如果曾經可能進行了‘量子自旋液態’的實驗，我應該觀察到了什麼？」

量子計算機

為了弄清楚事情的原委，研究人員們與美國田納西州「橡樹嶺國家實驗室」（Oak Ridge National Laboratory）的一個團隊一起工作，利用「中子散射技術」（neutron scattering techniques）在類似於三氯化釕（alpha-ruthenium chloride）的材料中尋找「電子分層分離」的證據。這種材料在結構上類似於石墨烯材料。

諾爾說：「這是對已知物質量子態簡短名單的一個新補充。」

Kovrizhin補充說：「這是我們理解量子問題很重要的一步。這種樂趣在於，我們發現了另一種新的、以前從來沒有見過的量子狀態，它為我們提供了嘗試新事物的新可能性。」

其中一些新的東西涉及到「量子計算機」（quantum computers），這種計算機將比普通電腦成倍的快。儘管這一切聽起來很理論化，但實際上有一些非常令人興奮的應用潛力。

這個研究結果已發表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上。