发现隐藏的量子涨落：华人科学家解决了一个40年的迷题

光子盒研究院出品

白晓健（音）研究员和他的同事利用橡树岭国家实验室散裂中子源装置的中子，在1929年发现的一种相当简单的碘化铁材料中发现了隐藏的量子涨落。这项研究表明，许多类似的磁性材料可能具有有待发现的量子特性。图片来源：橡树岭国家实验室（ORNL）

创造具有更新颖性能的先进材料的方法大部分都是在原料列表中添加更多的元素。但是量子研究表明，一些更简单的材料可能已经拥有了科学家们直到现在才发现的高级特性。

在佐治亚理工学院和田纳西大学诺克斯维尔分校，研究人员发现了一种近一个世纪前发现的相当简单的碘化亚铁材料(FeI2)中隐藏的、令人意想不到的量子行为。他们在美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)，利用中子散射实验和理论物理计算的结合，对这种材料的行为进行了新的研究。

该团队在《自然·物理》杂志上发表了他们的发现，该发现解决了一个关于这种材料神秘行为的40年的谜题，而且它可以作为一张地图——打开在其他材料中量子现象的宝库。

该论文的第一作者白晓健(音)说：“很大程度上是由于好奇心，我们才有了此发现。”白博士在佐治亚理工学院获得了博士学位，在橡树岭实验国家所（ORNL）做博士后研究员，用中子研究磁性材料。他还说道：“我在我的2019年博士论文项目的一部分中，偶然发现了这种碘化铁材料。我当时试图找到一种具有磁性三角形晶格排列的化合物，这种结构能表现出所谓的‘阻挫磁性’。”

白晓健所拿的一小块碘化铁样品(如上图所示)将被安装并用于中子散射实验，该实验被用来测量材料的基本磁激励。图片来源：橡树岭国家实验室（ORNL）

在普通的磁铁中，比如冰箱上的磁铁，这种材料的电子排列成箭头一样，要么都指向同一个方向（上或下），要么在上和下之间交替。电子指向的方向叫做“自旋”。但在更复杂的材料中，比如碘化铁，电子被排列在一个三角形的网格中，其中三个磁力点之间的磁力相互冲突，不确定指向哪个方向——这就是“阻挫磁性”。

白晓健说：“在我阅读文献时，我注意到了碘化铁这种化合物，人们在1929年发现并在70年代和80年代深入研究了这种化合物。当时，人们看到了一些奇特的或非常规的行为模式，但人们没有完全明白能看到它的原因。所以，有一些奇怪而有趣的问题还没有得到解决，与40年前相比，我们有了更强大的实验工具，所以我们决定重新审视这个问题，并且希望提供一些新的见解。”

在谈到量子材料时，人们通常说它是表现出奇异行为并且违反经典物理定律的材料：比如固体材料表现出液体的行为，这些材料的粒子像水一样移动，即使在冰点的温度下也不会冻结或停止运动。理解这些奇异现象是如何工作的，或者它们的潜在机制，是推进电子学和开发其他下一代技术的关键。

佐治亚理工学院的物理学教授Martin Mourigal说：“在量子材料的研究中，有两件事非常有趣：物质的相，如液体、固体和气体，以及这些相的激发，如声波。同样,自旋波能激发磁性固体材料。在很长一段时间里, 我们对量子材料的追求一直是寻找奇异相。但是我们在这项研究中问自己：‘也许相位本身显然不是奇异的，但是这些激发是奇异的呢？’的确，这就是我们的发现。”

中子是研究磁性的理想探测器，因为它们本身就像微型磁铁，可以用来与其他磁性粒子相互作用并激发它们，而不影响材料的原子结构。

当白晓健还是佐治亚理工学院Mourigal教授的研究生时，他就开始接触中子。多年来，Mourigal一直是橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的频繁中子散射用户。他利用美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施来研究各种量子材料及其各种奇怪的行为。

当白晓健和Mourigal将碘化铁材料暴露在一束中子中时，他们希望看到与来自单个电子的磁矩有关的一个特殊的激发或能量带;但他们看到的不是一个，而是两个不同的量子涨落同时发出。

白晓健说：“中子让我们可以非常清楚地看到这种隐藏的涨落，我们可以测量它的整个激发谱，但我们仍然不明白的是，为什么我们会在一个明显的经典相位看到这种异常行为。” 

为了找到答案，他们求助于理论物理学家、田纳西州诺克斯维尔大学林肯分校教授以及ORNL Shull Wollan中心的副主任Cristian Batista。Shull Wollan中心是一个中子科学的联合研究所，能为访问研究人员提供额外的中子散射资源和专业知识。

在Batista和他的团队的帮助下，该团队能够对神秘的量子涨落的行为进行数学建模，在使用SNS的CORELLI和SEQUOIA仪器进行额外的中子实验后，他们便能够确定导致它出现的机制。

Batista说:“理论预测和能用中子证实的是，当两个电子之间的自旋方向发生翻转，它们的磁矩向相反的方向倾斜时，这种奇异的波动就会发生。当中子与电子的自旋相互作用时，自旋在空间中沿一定方向同步旋转。这种由中子散射引发的运动产生了自旋波。”

他解释道，在不同的材料中，电子自旋可以呈现出不同的方向和自旋动作，从而产生不同种类的自旋波。在量子力学中，这一概念被称为“波粒二象性”，其中新波被视为新粒子，在正常条件下新粒子通常隐藏在中子散射中。

Batista又补充说：“从某种意义上说，我们在寻找暗粒子，我们看不见暗粒子，但知道它们在那里，因为我们能看到它们的影响，或者与我们能看到的粒子之间的相互作用。”

“在量子力学中，波和粒子没有区别。我们基于波长了解粒子的行为，这就是中子允许我们测量的东西。”白晓健说道。

Mourigal把中子探测粒子的方式比作海洋表面岩石周围的波浪。他说:“在静止的水中，只有在海浪掠过时，我们才能看到海底的岩石。所以，利用Batista的理论，只有用中子创造尽可能多的波，晓健才能识别出‘岩石’——使隐藏的波动可见的相互作用。”

人类利用量子磁行为已经使得技术进步，如核磁共振成像机和磁性硬盘存储，促进了个人电脑的产生。更多奇特的量子材料可能会使下一波技术浪潮加速到来。

自他们的发现问世以来，该团队还利用这些见解开发和测试了一系列更广泛的材料，他们预计这些材料将产生更有希望的结果。

“当我们在一种材料中引入更多的成分时，我们也会增加潜在的问题，如无序和异质性。如果真的想了解并创造基于材料的纯净的量子力学系统，回到这些简单的系统可能比我们想象的更重要。” Mourigal说道。

白晓健说：“这就解决了碘化铁中存在了40年的神秘激发之谜。今天，我们在SNS等大型中子设施的发展中具有优势，这使我们能够从根本上探究材料的整个能量和动量空间，从而了解这些奇特的激发是怎么回事。”

“现在我们了解了这种奇异的行为是如何在相对简单的材料中起作用的，可以想象在更复杂的材料中会发现什么。这一新的理解激励了我们，也希望它能激励科学界去研究更多的这类材料，这必将导致更加有趣的物理学。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且正在努力应对当今时代最紧迫的挑战。

论文链接：

DOI: 10.1038/s41567-020-01110-1

参考链接：

https://scitechdaily.com/hidden-quantum-fluctuations-discovered-solving-40-year-puzzle-behind-iron-iodides-mysterious-magnetism/

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