近 50 年來，物理學家一直預測在凝聚態物理學中有種稱為「量子自旋液體 (quantum spin liquid) 」的奇異且全新的物質狀態。最新刊於《科學》的研究指，成功在實驗室見到這種物質狀態，可了解相關量子特性，未來或可推進製造出更強大的量子電腦技術。

「量子自旋液體」中的「液體」與水、飲料等日常可見液體無關，而是指在低溫下電子於磁性材料內部不斷變化和波動。與普通磁鐵不同，在這種情況下，電子在冷卻時不會穩定或進入固態的晶格結構 (lattice structure) 。「量子自旋」則是指粒子攜帶的角動量 (angular momentum) 方向，這些粒子與相反的自旋成對糾纏。

有參與研究的哈佛大學量子物理學家 Mikhail Lukin 表示，這是凝聚態物理學領域一個非常特殊時刻，人類真的可以觸摸到這種從未觀察過的奇異新物質狀態，並可將之操控來了解其特性。

普通磁鐵具有自旋相同方向（向上或向下）的電子對，這亦是磁鐵產生磁性的原因。

在量子自旋液體中，則會引入第 3 個電子，破壞原本的平衡令自旋不能全部穩定在一個方向上。

為了產生量子自旋液體，團隊使用了在 2017 年建立的可編碼量子模擬器。該模擬器使用量子電腦程式，以激光將原子保持在自訂的形狀，例如正方形、三角形或蜂窩，並可將之用於設計不同量子相動和過程之中。

模擬器使用的是緊密聚焦的激光束單獨排列每一個原子；通過將銣 (ribidium) 原子排列在一個三角形晶格中，團隊就能夠製造出具有量子糾纏特性的磁鐵，而原子之間的互動表明團隊確實已產生了一種量子自旋液體。

另一有參與研究的量子物理學家 Subir Sachdev 指出，團隊可以將原子盡可能地分開，亦可以查看每個原子的活動。

發現將有助於量子電腦的發展。量子電腦建基於量子位 (quantum bit) 上，而量子自旋液體的奇異性，將有助於拓撲量子位的發展，能讓量子位抵抗噪音和外部干擾。

來源：
Science Alert, Scientists Observe Quantum Spin Liquids: A State of Matter We've Never Seen Before, 7 December 2021

報告：

Semeghini, G., Levine, H., Kissing, A. & et al. (2021). Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator. Science Vol374, Issue6572, pp.1242-1247. doi: 10.1126/science.abi8794

文／Alan Chiu