一個(gè)國際研究小組將一種特殊材料冷卻到接近絕對零度后發(fā)現，該材料中原子的一個(gè)核心性質(zhì)——它們的排列，并沒(méi)有像往常那樣“凍結”，而是保持在“液體”狀態(tài)，類(lèi)似于水無(wú)論多冷都不會(huì )結冰。這種新的量子材料可作為模型系統，開(kāi)發(fā)新型高靈敏度的量子傳感器。
日本東京大學(xué)固體物理研究所、美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)、德國馬克斯·普朗克復雜系統物理研究所（MPI-PKS）和德累斯頓—羅森多夫赫爾姆霍茲中心（HZDR）的研究小組在最近的《自然·物理學(xué)》雜志上發(fā)表了這一研究成果。
原則上， 磁體也可被視為量子材料，因為磁性是基于材料中電子的固有自旋。HZDR德累斯頓高場(chǎng)磁實(shí)驗室（HLD）約亨·沃斯尼察教授解釋說(shuō)：“在某些方面，這些自 旋可表現得像液體?！彪S著(zhù)溫度的下降，這些無(wú)序的旋轉會(huì )凍結，就像水凍結成冰一樣。某些類(lèi)型的磁體，如鐵磁體，在它們的“冰點(diǎn)”以上是非磁性的，只有跌落 到該點(diǎn)以下時(shí)，它們才能成為永久磁鐵。
該團隊打 算創(chuàng )造一種量子狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，與自旋相關(guān)的原子排列不會(huì )變得有序，即使在超低溫下也是如此，類(lèi)似于液體即使在極端寒冷的情況下也不會(huì )凝固。為了達到 這種狀態(tài)，研究小組使用了一種特殊的材料——鐠、鋯和氧元素的化合物。他們假設，在這種材料中，晶格的特性將使電子自旋能以一種特殊的方式與原子周?chē)能?道相互作用。
經(jīng)過(guò)幾次 嘗試，該團隊最終造出了足夠純凈的晶體。在一種低溫恒溫器中，研究人員逐漸將樣本冷卻到20毫開(kāi)爾文（零下273.13攝氏度）。他們記錄了樣品在冷卻過(guò) 程和在磁場(chǎng)中的反應，以及晶體對直接通過(guò)它的超聲波的反應。如果自旋是有序的，它應該會(huì )導致晶體行為的突然變化，比如長(cháng)度的突然變化。結果發(fā)現，無(wú)論是長(cháng) 度還是對超聲波的反應都沒(méi)有突然變化。
量子材料具有非凡的性質(zhì)。例如，它們可在低溫下完全無(wú)損耗地導電。通常，即使溫度、壓力或電壓的微小變化也會(huì )極大地改變量子材料的行為。
研究結論是，自旋和軌道的顯著(zhù)相互作用阻礙了有序化，這就是為什么原子保持在它們的液體量子狀態(tài)。這是第一次觀(guān)察到這樣的量子狀態(tài)，對磁場(chǎng)的進(jìn)一步研究證實(shí)了這一假設。研究人員表示，有朝一日，人們或許能夠利用這種新的量子態(tài)來(lái)開(kāi)發(fā)高靈敏度的量子傳感器。