奇异超导的先驱，量子自旋液体的新“幽灵粒子”或可构造稳健量子比特
近日，科学家们拍摄了迄今为止最清晰的电子粒子照片，这些粒子构成了一种称为量子自旋液体 (QSL) 的神秘磁态，这一成果可以促进先进量子计算机和节能超导体的发展。
量子自旋液体 (QSL) 是一种物质相，可以通过某些磁性材料中的量子自旋相互作用而形成。量子自旋液体通常具有长程量子纠缠、分级激发和没有普通磁序的特点。
量子自旋液态最初由物理学家Phil Anderson于1973年提出，作为三角形晶格上自旋系统的基态，三角形晶格与它们最近的邻居反铁磁相互作用，即相邻的自旋试图以相反的方向对齐。
1987 年，安德森提出了一种用无序自旋液体状态描述高温超导性的理论，从而引起了人们对量子自旋液体的进一步兴趣。
一个磁有序基态波函数的简单漫画是通过指定在所述晶格的每个站点的自旋来实现。以独立地指定一个量子多粒子系统中的各个部件的量子状态的能力要求不同部分具有彼此没有本质的量子纠缠。因此，可以说具有本地自由度之间的短程量子纠缠对的磁性物质常规状态原型基态波函数。
与此相反，量子自旋液体是指基态，其中所述原型波函数具有自由的本地度之间长距离量子纠缠。下平滑变形，这样的波函数不能被减小到在实际空间（产品态波函数）。这种长范围量子纠缠应该从更熟悉的长程有序为特征打破对称相区别开来。因此，量子自旋液体是新的质量样基态[1]。
此次研究进展是科学家们首次捕捉到 QSL 中的电子如何分解成称为自旋子的类自旋粒子和称为电荷的类电荷粒子的图像。
“自旋子就像幽灵粒子，它们就像量子物理学的大脚，人们说他们见过它们，但很难证明它们存在。”共同作者、伯克利实验室高级光源的科学家 Sung-Kwan Mo说。
在QSL中，自旋子可以自由移动，携带热量和自旋，但不带电荷。为了检测它们，大多数研究人员依赖于寻找它们的热特征技术。
科学家们展示了如何通过直接成像 QSL 中的自旋子在材料中的分布来表征它们，相关研究已发表于《 nature physics 》[2]。
图2 | 二硒化钽单层中的三角形自旋晶格和大卫之星电荷密度波模式的示意图（来源：研究团队/伯克利实验室）
为了开始这项研究，伯克利实验室高级光源(ALS) 的Mo小组培养了只有三个原子厚的二硒化钽 (1T-TaSe 2 )单层样品。这种材料是称为过渡金属二硫属化物 (TMDC) 的一类材料的一部分，这是一种从组成元素合成原子级薄 TMDC 晶体的技术。
Mo团队通过使用一种 ALS 产生的 X 射线技术，通过角分辨光电子能谱法对薄膜进行了表征。
使用称为扫描隧道显微镜 (STM) 的显微镜技术，Crommie实验室的研究人员（包括共同第一作者、当时的博士后研究员 Wei Ruan 和加州大学伯克利分校的研究生 Yi Chen）从金属针中注入了电子进入二硒化钽 TMDC 样品。
通过扫描隧道光谱 (STS) 收集的图像，一种测量粒子如何在特定能量下排列的成像技术，揭示了一些非常出乎意料的现象：一层波长大于一纳米（十亿分之一米）的神秘波覆盖了材料的表面。
研究负责人、伯克利国家实验室科学家兼加州大学物理教授Crommie说。“我们看到的长波长与晶体的任何已知行为都不相符，我们几乎不知道这是旋子幽灵粒子的特征。”
图3 | 仅 3 个原子厚的二硒化钽样品的扫描隧道显微镜图像（来源：Mike Crommie 等人/伯克利实验室）
在麻省理工学院理论合作者的帮助下，研究人员意识到，当电子从 STM 的尖端注入 QSL 时，它会在 QSL 内分裂成两种不同的粒子，自旋子（也称为鬼粒子）和电荷。这是由于 QSL 中自旋和电荷共同相互作用的特殊方式。自旋鬼粒子最终单独携带自旋，而电荷单独携带电荷。
自旋是量子力学中两种角动量之一，另一种是轨道角动量。轨道角动量算符是轨道旋转的经典角动量的量子力学对应物，当其波函数随着角度的变化而具有周期性结构时就会出现。对于光子，自旋是光偏振的量子力学对应物；对于电子，自旋没有经典的对应物[3]。
图4 | 鬼粒子穿过量子自旋液体的艺术家插图。（来源：Jenny Nuss/伯克利实验室）
在目前的研究中，STM/STS图像显示，电荷冻结在原地，形成了科学家所说的大卫之星电荷密度波（a star-of-David charge-density-wave）。同时，自旋子经历了一种 "体外体验"（out-of-body experience），它们与固定的电荷分离并在材料中自由移动，这是不寻常的，因为在传统材料中，电子在移动时携带自旋和电荷组合成的一个粒子，它们通常不会以这种有趣的方式分开[4]。
Crommie 计划在 ALS 的 Mo 的帮助下测试该预测。其美妙之处在于，在无意之中，发现了QSL中所有复杂的相互作用以某种方式结合在一起，形成了一个简单的幽灵粒子，它只是在晶体内部反弹。
Crommie 对外表示，有朝一日 QSL 可能会成为用于量子计算的稳健量子比特的基础。在传统计算中，一个比特将信息编码为 0 或 1，但一个量子比特可以同时保存 0 和 1，因此可能会加速某些类型的计算。了解自旋子和电荷在 QSL 中的行为可以帮助推进下一代计算领域的研究。理解 QSL 内部工作原理的另一个动机是，它们被预测为奇异超导的先驱。
图5 |电子在量子自旋液体内分裂成自旋鬼粒子和电荷的图示（来源：Mike Crommie 等人/伯克利实验室）
来自SLAC国家加速器实验室的研究人员；
斯坦福大学；
阿贡国家实验室；
麻省理工学院；
中国科学院、上海理工大学、深圳大学、河南大学；
韩国科学技术学院和韩国釜山国立大学为该研究做出了贡献。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持，并使用了伯克利实验室的先进光源和阿贡国家实验室的先进光子源的资源。美国国家科学基金会提供了额外的支持。
引用：
[1]https://science.sciencemag.org/content/367/6475/eaay0668.full
[2]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01321-0
[3]https://doi.org/10.1038/s42254-019-0038-2
[4] https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-031218-013401 (2019).