稀土氧化物的中子散射研究证实了量子旋转液体拼图的基本部分，并揭示了对这些材料中的磁矩如何以及为什么表现出奇怪行为的更好理解，例如，即使在绝对零度附近，它们也不能冻结到有序排列温度。

在《自然物理杂志》上发表的一篇论文中，来自佐治亚理工学院、田纳西大学和能源部橡树岭国家实验室的一组研究人员利用中子研究了稀土金属氧化物中异常磁行为的起源。Yb-mg-ga _ 4 (ybmggao _ 4)。这种物质是2015年发现的，众所周知它具有奇特的磁性，因此属于量子旋转液体这一独特的物质范畴。

“量子自旋液体是一种奇特的物质状态，其特征是原子尺度上的长距离粒子纠缠，”佐治亚理工学院助理物理学教授马丁穆里加尔说。

思考薛定谔的猫和思想实验，他说：许多粒子参与量子叠加，其中许多量子态结合形成新的量子态，这不能用单个粒子的行为来表征。

根据定义，他说：“这是我们用经典物理无法解释的。”

在ORNL散裂中子源的一系列实验中，研究人员揭示了支撑材料奇异特性的三个关键特征：

反铁磁相互作用，其中电子自旋群与其各自的邻居具有反平行排列；

自旋空间各向异性意味着单个磁矩强烈倾向于与材料中的特定方向对齐。和

磁性材料层之间的化学无序使电子自旋之间的相互作用随机化。

中子非常适合研究磁性，因为它们缺乏电荷，所以即使中子的能量很低，它们也能穿透物质。中子也有磁矩，使研究人员能够直接检测材料中的自旋行为。

“中子散射是唯一允许我们在最低温度下研究量子自旋液体动力学的技术，”Mourigal说。

然而，量子自旋液体是一个挑战，因为它们的磁矩不断变化。在典型的材料中，研究人员可以通过降低样品的温度将旋转锁定在一些对称的模式中，但这种方法不适用于旋转的液体。

当SNS的冷中子斩波器光谱仪CNCS的团队首次通过中子散射测量YbMgGaO 4单晶样品时，研究人员观察到，即使在0.06开尔文(约负460华氏度)的温度下，磁激发仍然是无序或“模糊”的。众所周知，这种波动的磁性行为发生在量子自旋液体中，这与经典物理定律背道而驰。

“当我们把它放入光束中时，材料发出尖叫，并使液体旋转，”Mourigal说。

为了克服这种模糊性，该团队使用8个特斯拉磁铁创建了一个磁场，将旋转锁定为有序且部分冻结的排列，以便进行更好的测量。

“一旦我们施加磁场，我们就可以测量传播类似声波的材料中的相干磁激励，”CNCS的仪器科学家Georg Ehlers说。“当一个中子进入一种物质时，它会在磁矩中飞行并震动它。临近磁矩的时候看到了这种情况，他们都开始异口同声地震动起来。这些振动的频率取决于相邻旋转之间的能量。”

这些磁场测量使团队能够直接验证理论预期，并提供对自旋行为和整个系统的物理理解。

“量子自旋液体是一种物质状态，本质上是一个集体，”穆里尔说。“但如果你想了解这个社会，你也需要了解这些人。”

然后团队转向另一个SNS仪器，SEQUOIA，一个高分辨率的费米斩波器光谱仪仪器，了解磁矩的各种性质。

红杉(SEQUOIA)的仪器科学家马修斯通(Matthew Stone)说：“在稀土磁体中，丰富的物理性质，如在CNCS仪器中观察到的，可以从个体旋转更喜欢指向晶体中的某些方向这一事实中产生。“红杉检查了当地的更高能量状态，以确认用于描述CNCS数据的模型的每个部分都是正确的。”

Mourigal说，从实验中收集的信息将使研究人员能够开发更好的理论模型来进一步研究这些量子现象。

“尽管这种材料所携带的量子态的确切性质还没有完全确定，但我们发现化学无序和其他影响在这里非常重要，”Mourigal说。“通过这些实验，我们可以真正确定这种材料中的量子旋转流体的配方需要包含哪些成分。”

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