什麼是量子自旋液體（quantum spin liquid）？

FOREST.Z2022-09-18 18:08:32

最近有人發現神秘物質叫量子自旋液體（quantum spin liquid），可以分裂電子這種基本粒子。能有大神解釋一下這具體是什麼東西嗎？哪裡發現的？能幹嘛？

2020-06-29 12:21:39

量子自旋液體是一種具有自旋高度糾纏，即使在零溫下都不會形成有序的物質態。

我們都知道在鐵磁體系，在溫度低於居里溫度以下時會發生鐵磁相變，晶格形成更有序的排列，宏觀具有磁性。然而，在量子自旋液體體系中，由於

阻挫

的存在，即使在零溫時由於量子漲落的存在體系自旋高度無序，如同液體一樣。

什麼是阻挫？

以下圖三角結構的反鐵磁體系為例，最近鄰格點要求

自旋方向相反

以達到

能量最低狀態

；但這不可能同時滿足的，因為在問號處的自旋如果向上，則與左下格點自旋形成反鐵磁，但是與右下格點形成鐵磁。正是由於這種原因，在量子漲落下體系自旋方向相互競爭以達到能量最低，形成自旋方向高度無序的狀態。

三角阻挫

什麼是分數激發？

分數激發是判斷材料是否是量子自旋液體的一種重要特徵。分數激發的描述理論比較複雜，具體理論可以參考

Kitaev模型，

下面只簡述部分結論。

二維Kitaev模型任意子激發

自旋是微觀粒子的一種性質。自旋為0的粒子從各個方向看都一樣，就像一個點。自旋為1的粒子在旋轉360度後看起來一樣。自旋為2的粒子旋轉180度，自旋為1/2的粒子必須旋轉2圈才會一樣。量子自旋液體的激發態實際上對應的是體系的開弦，由於兩個格點公用一個電子，因此必然能形成一個開弦。我們把開弦的端點稱之為任意子，任意子只有二維體系獨有的。

題主說的

分裂電子

應該並不是真實情況，實驗只是透過中子散射（中子自旋為1）實驗觀測到了分數自旋的任意子激發。

參考文獻

Savary L ， Balents L 。 Quantum spin liquids： a review［J］。 Reports on Progress in Physics， 2017， 80（1）：016502。

Han T H ， Helton J S ， Chu S ， et al。 Fractionalized excitations in the spin-liquid state of a kagome-lattice antiferromagnet［J］。 Nature， 2012， 492（7429）：406-10。

2016-04-10 18:11:02

物質處於不同的相，本質上是物質內部相互作用與漲落的競爭導致的。在低溫下，熱漲落很小，物質會傾向於處在有序的狀態。對於自旋體系，零溫下沒有熱漲落，會出現鐵磁序或者反鐵磁序等等。

但是，有些自旋體系，尤其是阻挫 （frustrated）系統，零溫下沒有熱漲落，但是量子漲落特別強，使得體系基態時自旋的指向處於一種無序的狀態，整體上沒有鐵磁，反鐵磁和其他的序，即所有的序引數的值在熱力學極限下都為0。就像液體一樣，稱為量子自旋液體。

自旋液體的概念1988年就有了，和高溫超導的機制密切相關。但是直到2011年才由密度矩陣重整化群（DMRG）計算出在Kagome lattice上會出現自旋液體。

自旋液體最有可能出現在六角格子（honeycomb lattice），Kagome格子，以及方格子 （square lattice）上，相應的物理模型分別為Kitaev model， spin 1/2 antiferromagnetic Heisenberg model on Kagome lattice，以及J1-J2 model。三角格子上也可能會出現自旋液體，但是目前理論方面的研究主要集中在前三種格子。

自旋液體根據對稱性可以劃分為不同的種類。有的自旋液體激發的準粒子可能帶有分數spinon。

2022-05-13 01:44:57

什麼是液體？

假設物質由原子構成（分子、離子、電子、中子……類似）：幾乎沒有相互作用的時候是氣體，原子隨意奔跑；有相互作用但是原子無序排列的時候是液體、有序排列的時候是固體。固若金湯固若金湯，金和湯內部都有相互作用。

什麼是量子液體？

我們觀測到這個宇宙裡的大部分東西到低溫都是要變成固體的，那怕是空氣。少數一些東西到絕對零度也不結冰，那麼我們稱之為量子液體，因為根據量子力學即使在絕對零度物體也有動能，這部分動能足以讓這些少數派維持不結冰的狀態。

一個量子液體的例子是氦的同位素氦-3，它在一個大氣壓的情況下，即使在絕對零度下也還是液體。另一個更廣泛研究的例子是電子組成的系統，它們在大部分情況下即使到了絕對零度時都是氣體或者液體——可以流動，可以導電，當然可以稱得上量子液體啦。約輕的東西越不容易結冰，所以電子很容易成為量子液體，變成固體反而更難。

分數激發

液體容易形成奇怪的泡泡，泡泡可能攜帶分數電荷和分數統計，這種泡泡就叫分數激發。叫激發是因為泡泡=激發態-基態。

什麼是量子自旋液體

把電子電荷換成電子自旋即可。