科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第三種磁性：或是量子計算又一突破

據(jù)國外媒體報道，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新物質(zhì)，擁有第三種磁性狀態(tài)。麻省理工學(xué)院稱之為“液態(tài)自旋量子”，他們表示這種新物質(zhì)將改變電腦的數(shù)據(jù)存儲方式。

量子自旋液體將有可能消除量子位周圍物質(zhì)中的污點，而這些污點有可能在量子計算中突然改變量子狀態(tài)。英國《自然》雜志報道稱，液態(tài)自旋量子是一種固態(tài)晶體，但它的磁態(tài)卻呈液態(tài)。與其他兩種磁性不同，液態(tài)自旋量子的單個粒子磁性取向始終處于變化之中，與真正液體中的分子運動類似。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授Young Lee表示，這種物質(zhì)內(nèi)部沒有靜態(tài)磁性取向。他說：“但粒子之間存在強烈的相互作用，由于量子效應(yīng)，它們不會固定在某個地方。” 從理論上講，量子自旋液體將有助于數(shù)據(jù)存儲、改善計算能力，防止量子位的衰減等。 

其實，早在40多年前，一支由多國科學(xué)家組成的研究團隊就已經(jīng)從理論上提出了量子自旋液體這一概念。但直到2012年，量子自旋液體才首次被發(fā)現(xiàn)。Young Lee指出，這種怪異的狀態(tài)很難進行測量或者說很難證實它的存在。這是迄今為止得出的最具有說服力的實驗數(shù)據(jù)，證明存在這種現(xiàn)象。物理學(xué)家在最新研究論文中介紹說，量子自旋液體以其電子分裂屬性而出名，但研究人員此前從未在真實物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)過這種分裂的發(fā)生。這種新的物質(zhì)形態(tài)會導(dǎo)致電子分裂成名為“馬約拉納費米子”碎片粒子。近日，物理學(xué)家們已經(jīng)能夠在兩維物質(zhì)（類似于石墨單原子層）中探測到這種粒子。

所謂的鐵磁性是指磁鐵或者指南針的簡單磁性。而反鐵磁性是指金屬或者合金的離子磁場相互抵消，它是現(xiàn)代電腦硬盤讀頭的基礎(chǔ)。不過，無論是哪一種情況，它們只有溫度冷卻到一個確定溫度之后才能具有磁性。

普通的磁性物質(zhì)工作原理是：在磁性物質(zhì)中，當溫度降到足夠低時，電子的行為方式就像是旋轉(zhuǎn)的條形磁鐵一樣根據(jù)磁極進行自我排列。然而，在含有量子自旋液體的磁性物質(zhì)中，這些電子仍然會不斷起伏波動，即使物質(zhì)已被冷卻到絕對零度，條形磁鐵無法整齊排列，而是由于量子起伏而形成一種混沌湯狀態(tài)。為了探測這種起伏波動，物理學(xué)家對實驗物質(zhì)中的電子進行了觀測，他們發(fā)現(xiàn)在量子自旋液體物質(zhì)中形成的形態(tài)與此前理論中預(yù)測的結(jié)果相一致。

1987年，著名理論學(xué)家菲利普·安德森首次提出存在第三種磁態(tài)。“自此之后，物理學(xué)家便希望制造出這種磁態(tài)。過去幾年，我們才在這一研究領(lǐng)域取得進展。據(jù)了解，液態(tài)自旋量子本身是一種被稱之為“herbertsmithite”的礦物晶體，以礦物學(xué)家赫伯特-史密斯(Herbert Smith)的名字命名。

從2011年開始，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家一直對這種晶體的性質(zhì)進行細致研究。絕大多數(shù)物質(zhì)都擁有不連續(xù)的量子態(tài)，量子態(tài)的改變用整數(shù)表達，相比之下，液態(tài)自旋量子表現(xiàn)出碎片式的量子態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)這種被稱之為“自旋振子”的量子態(tài)能夠形成一個連續(xù)體。

重要的是，麻省理工學(xué)院的研究成果有助于改進數(shù)據(jù)存儲或者通訊，可能的方式是利用一種被稱之為“遠距離纏結(jié)”的怪異量子現(xiàn)象。遠距離纏結(jié)是指兩個相隔很遠的粒子能夠同時影響彼此的狀態(tài)。此外，這一研究成果也有助于研發(fā)高溫超導(dǎo)體，讓這一領(lǐng)域取得新進展。美國哈佛大學(xué)物理學(xué)教授蘇比爾·薩奇德夫表示：“這是一個重大研究發(fā)現(xiàn)，為研究多主體系統(tǒng)內(nèi)的量子纏結(jié)打開了新的通道。”

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