莫特绝缘子的相位图与挫折和相关强度的关系。来源:《自然通讯》(Nature Communications)， 2023年出版。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 37491 - z

二十年来，人们相信在合成材料中发现了一种可能的量子自旋液体。在这种情况下，即使在宏观层面上，它也不会遵循经典物理定律，而是遵循量子世界的定律。这些材料有很大的希望:它们将适用于量子纠缠信息传输(量子密码学)甚至量子计算。

然而，现在来自维也纳工业大学和日本东宝大学的研究人员已经证明，这种有前途的材料κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3并不是预测的量子自旋液体，而是一种可以用已知概念描述的材料。

在他们最近发表在《自然通讯》杂志上的文章中，研究人员报告了他们如何通过测量κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3的电阻作为温度和压力的函数来研究神秘的量子态。2021年，维也纳工业大学固态物理研究所的Andrej Pustogow已经研究了这种材料的磁性。

相图说明了材料的性质

“相图是物理学的语言，”当前研究的主要作者普斯托戈说。如果你懂这门语言，快速浏览一下图表，就会发现材料的性质是如何随着温度和压力而变化的。例如，水在0°C时变成固体，在100°C时变成气体。如果你现在改变压力，比如在高压锅里加热水，沸点会上升到100°C以上。

现在为了弄清楚假设的量子自旋液体，即。这是一种电子自旋可以自由旋转且量子纠缠的液体，研究小组在压力下进行了系统的电阻测量。“特别的是，相边界的形状让我们对磁量子涨落的物理学有了深入的了解，而磁量子涨落实际上是不能用电阻本身来测量的，”普斯托戈说。这只能通过一种世界上独一无二的方法来实现，日本合作伙伴使用这种方法来研究这种材料。“所以我们让不可能成为可能，跟随磁矩的熵足迹，从而获得对假想的量子自旋流体的新见解，”Pustogow继续说。

安德烈·普斯托戈教授。来源：维也纳技术大学

研究人员还发现，κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3的相图与氦-3的相图非常相似。早在20世纪50年代，一位苏联研究人员就预测到氦-3的行为与传统材料不同，在低温(低于0.3开尔文)下，氦-3从固体变为液体，而不是从液体变为固体。当固体中的电子在温度升高时从金属态(可移动的电子)冻结到莫特绝缘体(电子被牢牢地束缚在原子上而不移动)时，也会发生完全相同的效应。

这种以预测它的研究人员命名的“波美兰楚克效应”也被国际研究小组在κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3中观察到:在较高的温度下，材料最初表现出具有刚性电子的绝缘行为，当它冷却时融化成液体(金属)。然而，在6开尔文以下，电子再次冻结并失去磁矩。

“虽然κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3本身不是量子自旋液体，但我们的研究为进一步研究这些材料提供了重要线索。例如，我们的实验有助于更好地理解磁弹性耦合的机制。如果我们成功地控制了这种效应，我们也可能最终实现量子自旋液体，”普斯托戈说。

更多信息:a . Pustogow等人，通过受挫莫特绝缘体的相图追踪自旋间隙，《自然通讯》(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 37491 - z

期刊信息:自然通讯