磁性量子材料拓宽了探索下一代信息技术的平台

中子散射揭示了三氯化铁的自旋相关性。艺术家的描绘诠释了散射，为螺旋旋转液态提供了证据。图片来源：Jacquelyn DeMink/ORNL

橡树岭国家实验室的科学家使用中子散射来确定特定材料的原子结构是 . 否可以容纳一种称为螺旋自旋液体的新型物质状态。通过跟踪层状三氯化铁磁铁的蜂窝晶格上称为“自旋”的微小磁矩，研究小组发现了第一个承载螺旋自旋液体的2D系统。

这一发现为未来可能推动下一代信息技术的物理现象研究提供了试验台。这些包括压裂，或集体量子化振动，可能被证明在量子计算中很有前途，以及天文，或可以推进高密度数据存储的新型磁自旋纹理。

“含有螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能用于产生量子自旋液体，自旋纹理和压裂子激发，”ORNL的Shang Gao说，他领导了发表在《物理评论快报》上的这项研究。

一个长期持有的理论预测，蜂窝晶格可以容纳螺旋自旋液体 - 一种物质的新阶段，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。

然而，在目前的研究之前，2D系统中这一阶段的实验证据一直缺乏。2D系统包括一种分层结晶材料，其中平面上的相互作用比堆叠方向上的相互作用更强。

高智晟认为三氯化铁是测试该理论的有前途的平台，该理论是在十多年前提出的。他和ORNL的合著者Andrew Christianson联系了ORNL的Michael McGuire，后者在生长和研究2D材料方面进行了广泛的研究，询问他是否会合成和表征三氯化铁样品以进行中子衍射测量。就像2D石墨烯层作为纯碳的蜂窝晶格存在于块状石墨中一样，2D铁层作为2D蜂窝层存在于块状三氯化铁中。“以前的报道暗示，这种有趣的蜂窝材料在低温下可能会表现出复杂的磁性行为，”McGuire说。

“每个蜂窝状铁层的上方和下方都有氯原子，形成氯 - 铁 - 氯板，”McGuire说。“一块板顶上的氯原子通过范德华键与下一块板坯底部的氯原子相互作用非常弱。这种弱粘合使这样的材料很容易剥离成非常薄的层，通常下降到单个板坯。这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变非常有用。

在量子材料中，电子自旋可以集体和奇异地表现。如果一个自旋移动，所有人都会做出反应——爱因斯坦称之为“远处的幽灵行动”的纠缠状态。该系统保持一种沮丧的状态——一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠的电子在响应中波动。

60年前，在ORNL进行了第一次氯化铁晶体的中子衍射研究。如今，ORNL在材料合成、成像、中子散射、理论、仿真和计算方面的广泛专业知识使磁量子材料的开创性探索成为可能，从而推动了下一代信息安全和存储技术的发展。

通过散裂中子源和高通量同位素反应堆的专家和工具，美国能源部科学办公室ORNL用户设施的专家和工具，可以绘制螺旋自旋液体中的自旋运动。ORNL的合著者对于中子散射实验的成功至关重要：Clarina dela Cruz，她使用HFIR的POWDER衍射仪领导实验;刘耀华，他领导了使用SNS的CORELLI光谱仪的实验;Matthias Frontzek，他领导了使用HFIR魔杖的实验2衍射仪;马修·斯通（Matthew Stone），他领导了SNS红杉光谱仪的实验;还有Douglas Abernathy，他领导了SNS的ARCS光谱仪的实验。

“我们在SNS和HFIR的测量中的中子散射数据为螺旋自旋液相提供了令人信服的证据，”Gao说。

“中子散射实验测量了中子如何与样品交换能量和动量，从而可以推断出磁性，”合著者Matthew Stone说。他描述了螺旋自旋液体的磁性结构：“它看起来像一组山脉的地形图，其中有一堆环向外延伸。如果你沿着一个环走，所有的旋转都会指向同一个方向。但是如果你向外走，穿过不同的环，你会看到这些旋转开始围绕它们的轴旋转。这就是螺旋式上升。

“我们的研究表明，螺旋自旋液体的概念对于广泛的蜂窝晶格材料是可行的，”合着者Andrew Christianson说。“它为社区提供了一条探索自旋纹理和新激发的新途径，例如压裂子，然后可以用于未来的应用，例如量子计算。

这篇论文的标题是“蜂窝晶格上的螺旋旋转液体”。

更多信息：Shang Gao等人，螺旋旋转液体在蜂窝晶格上，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.227201

期刊信息：物理评论快报