奇异的电子相互作用

一个由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心 (HZDR) 参与的研究小组发现了一种可以用这种方式描述的量子态。来自日本东京大学固体物理研究所、美国约翰霍普金斯大学和德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所(MPI-PKS)的专家成功冷却了一个特殊的材料接近绝对零温度。他们发现原子的一个核心属性——它们的排列——并没有像往常一样“冻结”，而是保持在“液态”状态。新的量子材料可以作为模型系统来开发新型、高灵敏度的量子传感器。该团队在《自然物理学》杂志上发表了他们的发现(DOI：10.1038/s41567-022-01816-4)。

乍一看，量子材料看起来与普通物质没有什么不同——但它们确实有自己的作用：在内部，电子以不寻常的强度相互作用，既与彼此相互作用，也与晶格的原子相互作用。这种密切的相互作用导致强大的量子效应，不仅作用于微观，而且作用于宏观尺度。由于这些效应，量子材料表现出非凡的特性。例如，它们可以在低温下完全无损耗地导电。通常，即使是温度、压力或电压的微小变化也足以彻底改变材料的行为。

原则上，磁铁也可以看作是量子材料;毕竟，磁性是基于材料中电子的固有自旋。“在某些方面，这些自旋可以表现得像液体，”HZDR 德累斯顿高场磁实验室 (HLD) 的 Jochen Wosnitza 教授解释说。“随着温度下降，这些无序的旋转会冻结，就像水冻结成冰一样。” 例如，某些类型的磁铁，即所谓的铁磁体，在其“凝固点”或更准确的订购点以上是非磁性的。只有当它们低于它时，它们才能成为永久磁铁。

高纯度材料

国际团队打算创造一种量子态，其中与自旋相关的原子排列没有顺序，即使在超冷温度下也是如此——类似于即使在极冷条件下也不会凝固的液体。为了达到这种状态，研究小组使用了一种特殊材料——镨、锆和氧元素的化合物。他们假设在这种材料中，晶格的特性将使电子自旋以一种特殊的方式与其围绕原子的轨道相互作用。

“然而，先决条件是拥有极高纯度和质量的晶体，”东京大学的 Satoru Nakatsuji 教授解释道。经过多次尝试，但最终该团队能够生产出足够纯净的晶体用于他们的实验：在低温恒温器(一种超级保温瓶)中，专家们逐渐将样品冷却至 20 毫开尔文——仅比绝对温度高五十分之一度零。为了了解样品如何响应这种冷却过程和磁场内部，他们测量了它的长度变化了多少。在另一项实验中，该小组记录了晶体对直接通过它发送的超声波的反应。

亲密的相互作用

结果：“如果旋转是有序的，它应该会导致晶体行为的突然变化，例如长度的突然变化，”HLD 的超声研究专家 Sergei Zherlitsyn 博士描述道。“然而，正如我们观察到的，什么都没有发生!无论是长度还是它对超声波的反应都没有突然的变化。” 结论：自旋和轨道之间明显的相互作用阻止了有序化，这就是原子保持液态量子态的原因——这是第一次观察到这种量子态。对磁场的进一步研究证实了这一假设。

这一基础研究结果有一天也可能具有实际意义：“在某个时候，我们可能能够使用新的量子态来开发高度敏感的量子传感器，”Jochen Wosnitza 推测道。“然而，要做到这一点，我们仍然必须弄清楚如何系统地在这种状态下产生兴奋。” 量子传感被认为是未来有前途的技术。由于它们的量子特性使它们对外部刺激极为敏感，因此量子传感器可以比传统传感器更精确地记录磁场或温度。