最新突破发现量子自旋液体中，非常规的自旋输运

来自东京工业大学和横滨国立大学的科学家发现：自旋微扰穿过量子自旋液体系统看似无法通过区域的特殊机制，这一新见解可能代表着下一代电子学甚至量子计算机的另一块基石。目前电子设备已经接近理论极限，这意味着将需要全新技术来获得更好的性能和更高的小型化。问题是，现代电子学以操纵电流为中心，因此主要关注运动电子的集体电荷。

但是，如果信号和数据能够以更有效的方式编码和发送，情况会怎样呢？进入自旋电子学，这是一个新兴的技术领域，旨在给电子学带来革命性的变化，并有望成为量子计算机发展的关键参与者。在自旋电子器件中，电子最重要的特征是自旋，这是一种本征性质，可以广泛地视为它们的角动量，这也是固体中磁现象的根本原因。然而，世界各地物理学家都在努力寻找通过材料产生和传输“自旋数据包”的实用方法。

在最新的一项研究中，日本东京工业大学和横滨国立大学科学家们对一种名为Kitaev模型的特殊系统的特殊自旋输运特性进行了理论分析。这个二维模型包括一个蜂窝网络，其中每个顶点都有一个自旋。Kitaev系统的特别之处在于，由于自旋之间的特殊相互作用，它表现为量子自旋液体(QSL)。这大体上意味着，在这个系统中：“旋转不可能以独特的最佳方式安排，让每一个旋转都保持愉快”。

这种现象被称为自旋受挫，导致自旋的行为特别无序。领导这项研究的古贺明久(Akihisa Koga)教授说：基塔耶夫模型是研究量子自旋液体的一个有趣游乐场，然而对它有趣的自旋输运特性知之甚少。基塔耶夫模型的一个重要特征是它具有局域对称性；这种对称性意味着自旋只与其近邻相关，而不与遥远的自旋相关，因此意味着自旋输运应该有一个势垒。然而，在现实中，Kitaev系统一侧的微小磁扰动确实表现为相反边缘的自旋变化：

即使这些扰动似乎不会导致材料中心更对称区域的磁化发生任何变化。在基塔耶夫系统的一个边缘上，微小磁扰动确实表现为相反边缘的自旋的变化，即使这些扰动似乎不会导致材料中心更对称区域的磁化强度发生任何变化。这一耐人寻味的机制是科学家团队在研究中阐明的，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。研究在Kitaev QSL的一侧施加脉冲磁场来触发自旋数据包传输，并对随后展开的实时动力学进行了数值模拟。

结果表明，磁扰动是通过行进的马约拉纳费米子穿过物质中心区域。这些是准粒子；它们不是真正的粒子，而是系统集体行为的精确近似。值得注意的是，马约拉纳费米子介导的自旋输运，不能用经典的自旋波理论来解释，因此需要进一步的实验研究。但研究人员对这项研究成果的应用潜力抱有希望：理论结果也应该与真实材料相关，研究设置可以在Kitaev系统的某些候选材料上物理实现。

研究讨论了可能的物质，创造自旋扰动的方法，以及寻找马约拉纳费米子穿过物质主体到达另一边证据的实验方法，甚至有可能控制系统中静止的马约拉纳费米子费米子运动。

博科园｜研究/来自：东京工业大学

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.047204

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