科学家在量子磁学领域取得突破: 确认自旋子可单独运动

难以捉摸的孤自旋子已被观测到，这证实了理论预言，并为量子技术和磁学开启了新的大门。

在一项可能彻底改变人们对量子磁学理解的突破性研究中，科学家们证明，曾经被认为只能成对存在的自旋子（spinon），实际上可以单独运动。

这一发现进一步加深了对磁性的理解，并可能有助于为未来技术铺平道路，包括量子计算机和先进磁性材料。

当自旋翻转激起涟漪

自旋子是一种准粒子（quasiparticle），它们在磁系统中表现为类似单个粒子的量子扰动。

它们出现在低维量子材料中，尤其是一维（1D）自旋链中。在这些链中，电子呈线性排列，并通过其量子自旋相互作用。

在这样的系统中，翻转一个自旋不仅仅影响一个电子；它会在整个链上产生涟漪。这个涟漪可以作为一个离散的实体，携带 ½ 的自旋值。这个实体就是自旋子。

如今，磁体是许多技术的核心，包括计算机内存、扬声器、电动机和医疗成像设备。

自旋子的概念可追溯到 20 世纪 80 年代初，当时物理学家路德维希·法捷耶夫 (Ludwig Faddeev) 和列昂·塔赫塔扬 (Leon Takhtajan) 提出，在某些量子模型中，一个自旋为 1 的激发可以分裂成两个自旋为 ½ 的激发。

这些激发被命名为自旋子。它们被视为奇特的粒子，因为它们表现得像一个不可分割的量子自旋分裂成了两个部分。

然而，迄今为止的所有实验观测都只检测到成对的自旋子，这强化了它们不能独立存在的观念。

这一假设如今受到了挑战。

孤旋独行

在一项新的理论研究中，来自华沙大学和不列颠哥伦比亚大学的物理学家展示了如何利用一个著名的量子磁学模型 —— 海森堡自旋-½ 链（Heisenberg spin-½ chain） —— 来分离出单个的自旋子。

通过在该系统（无论是其基态，还是一个称为价键固体（VBS）的简化模型）中添加一个单独的自旋，他们证明了单个未配对的自旋可以自由地在自旋链中移动，表现得像一个孤独的自旋子。

让这一发现更具影响力的是，它并非纯粹的理论。由 C. Zhao 领导并于近期发表在《自然-材料》上的一项实验，在基于纳米石墨烯的反铁磁链（nanographene-based antiferromagnetic chains）中观测到了自旋-½ 激发，这些激发反映了研究中描述的孤自旋子行为。

这一实验验证证实，该现象可以在真实的量子材料中发生，而不仅仅是在模拟中。

理解单个自旋子如何能够存在具有深远的意义。自旋子与量子纠缠（quantum entanglement）密切相关，后者是量子计算和量子信息科学的核心原理。

它们也存在于奇特的物质态中，如高温超导体和量子自旋液体。

通过更好地控制自旋子动力学，科学家们可以为开发先进的磁性材料以及潜在的量子计算机量子比特（qubit）系统开辟新的途径。

“我们的研究不仅加深了我们对磁体的认识，也可能对物理学和技术的其他领域产生深远的影响，”华沙大学物理学院的克日什托夫·沃尔费尔德（Krzysztof Wohlfeld）教授表示。

该研究发表在《物理评论快报》 期刊上。

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