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科学家发现第三种磁性:或是量子计算又一突破

科学家发现第三种磁性:或是量子计算又一突破

据国外媒体报道,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员发现了一种新物质,拥有第三种磁性状态。麻省理工学院称之为“液态自旋量子”,他们表示这种新物质将改变电脑的数据存储方式。

量子自旋液体将有可能消除量子位周围物质中的污点,而这些污点有可能在量子计算中突然改变量子状态。英国《自然》杂志报道称,液态自旋量子是一种固态晶体,但它的磁态却呈液态。与其他两种磁性不同,液态自旋量子的单个粒子磁性取向始终处于变化之中,与真正液体中的分子运动类似。

麻省理工学院的物理学教授Young Lee表示,这种物质内部没有静态磁性取向。他说:“但粒子之间存在强烈的相互作用,由于量子效应,它们不会固定在某个地方。” 从理论上讲,量子自旋液体将有助于数据存储、改善计算能力,防止量子位的衰减等。 

其实,早在40多年前,一支由多国科学家组成的研究团队就已经从理论上提出了量子自旋液体这一概念。但直到2012年,量子自旋液体才首次被发现。Young Lee指出,这种怪异的状态很难进行测量或者说很难证实它的存在。这是迄今为止得出的最具有说服力的实验数据,证明存在这种现象。物理学家在最新研究论文中介绍说,量子自旋液体以其电子分裂属性而出名,但研究人员此前从未在真实物质中发现过这种分裂的发生。这种新的物质形态会导致电子分裂成名为“马约拉纳费米子”碎片粒子。近日,物理学家们已经能够在两维物质(类似于石墨单原子层)中探测到这种粒子。

所谓的铁磁性是指磁铁或者指南针的简单磁性。而反铁磁性是指金属或者合金的离子磁场相互抵消,它是现代电脑硬盘读头的基础。不过,无论是哪一种情况,它们只有温度冷却到一个确定温度之后才能具有磁性。

普通的磁性物质工作原理是:在磁性物质中,当温度降到足够低时,电子的行为方式就像是旋转的条形磁铁一样根据磁极进行自我排列。然而,在含有量子自旋液体的磁性物质中,这些电子仍然会不断起伏波动,即使物质已被冷却到绝对零度,条形磁铁无法整齐排列,而是由于量子起伏而形成一种混沌汤状态。为了探测这种起伏波动,物理学家对实验物质中的电子进行了观测,他们发现在量子自旋液体物质中形成的形态与此前理论中预测的结果相一致。

1987年,著名理论学家菲利普·安德森首次提出存在第三种磁态。“自此之后,物理学家便希望制造出这种磁态。过去几年,我们才在这一研究领域取得进展。据了解,液态自旋量子本身是一种被称之为“herbertsmithite”的矿物晶体,以矿物学家赫伯特-史密斯(Herbert Smith)的名字命名。

从2011年开始,麻省理工学院的物理学家一直对这种晶体的性质进行细致研究。绝大多数物质都拥有不连续的量子态,量子态的改变用整数表达,相比之下,液态自旋量子表现出碎片式的量子态。研究人员发现这种被称之为“自旋振子”的量子态能够形成一个连续体。

重要的是,麻省理工学院的研究成果有助于改进数据存储或者通讯,可能的方式是利用一种被称之为“远距离缠结”的怪异量子现象。远距离缠结是指两个相隔很远的粒子能够同时影响彼此的状态。此外,这一研究成果也有助于研发高温超导体,让这一领域取得新进展。美国哈佛大学物理学教授苏比尔·萨奇德夫表示:“这是一个重大研究发现,为研究多主体系统内的量子缠结打开了新的通道。”

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