7月28日消息，橡树岭国家实验室的科学家们使用中子散射来确定特定材料的原子结构是否可以承载一种称为螺旋自旋液体的新物质状态。通过跟踪层状三氯化铁磁体蜂窝晶格上称为“自旋”的微小磁矩，该团队发现了第一个容纳螺旋自旋液体的二维系统。

这一发现为未来可能推动下一代信息技术的物理现象研究提供了一个试验台。其中包括可能在量子计算中被证明有前途的分子或集体量化振动，以及可以推进高密度数据存储的新型磁自旋纹理。

中子散射揭示了三氯化铁的自旋相关性。一位艺术家的描绘解释了提供螺旋自旋液态证据的散射。图片来源：杰奎琳·德明克/ORNL

“承载螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能用于产生量子自旋液体、自旋纹理和分形激发，”ORNL 的尚高说，他领导了发表在《物理评论快报》上的这项研究。

一个长期存在的理论预测，蜂窝晶格可以容纳螺旋自旋液体——一种新的物质相，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。

然而，在本研究之前，一直缺乏二维系统中这一阶段的实验证据。2D 系统包括层状晶体材料，其中在平面上的相互作用比在堆叠方向上的相互作用更强。

高将三氯化铁确定为测试该理论的有前途的平台，该理论是十多年前提出的。他和 ORNL 的合著者 Andrew Christianson 联系了同样来自 ORNL 的 Michael McGuire，后者在二维材料的生长和研究方面进行了广泛的工作，询问他是否会合成和表征用于中子衍射测量的三氯化铁样品。就像二维石墨烯层作为纯碳的蜂窝晶格存在于块状石墨中一样，二维铁层作为二维蜂窝层存在于块状三氯化铁中。

“以前的报告暗示，这种有趣的蜂窝材料可以在低温下表现出复杂的磁性，”麦奎尔说。

每个蜂窝状的铁层上下都有氯原子，形成氯-铁-氯板，一块板顶部的氯原子通过范德华键与下一块板底部的氯原子相互作用非常微弱。这种弱键使得像这样的材料很容易剥离成非常薄的层，通常是一块板. 这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变很有用。

在量子材料中，电子自旋可以集体和奇异地表现。如果一个旋转运动，所有的人都会做出反应——爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”的纠缠状态。该系统处于受挫状态——一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠电子响应波动。

60 年前，ORNL 对氯化铁晶体进行了首次中子衍射研究。今天，ORNL 在材料合成、成像、中子散射、理论、模拟和计算方面拥有广泛的专业知识，能够开创性地探索磁性量子材料，推动下一代信息安全和存储技术的发展。

散裂中子源和高通量同位素反应堆（ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施）的专家和工具使绘制螺旋自旋液体中的自旋运动成为可能。ORNL 的合著者对于中子散射实验的成功至关重要：Clarina dela Cruz，他领导了使用 HFIR 粉末衍射仪的实验；Yaohua Liu，领导使用 SNS 的 CORELLI 光谱仪进行的实验；Matthias Frontzek，领导了使用 HFIR 的 WAND 2衍射仪进行的实验；Matthew Stone，他领导了 SNS 的 SEQUOIA 光谱仪的操作实验；和 Douglas Abernathy，他领导了 SNS 的 ARCS 光谱仪的实验。

“我们在 SNS 和 HFIR 测量的中子散射数据为螺旋自旋液相提供了令人信服的证据，”高说。

共同作者马修斯通指出，中子散射实验测量了中子如何与样品交换能量和动量，从而推断出磁性。他描述了一种螺旋自旋液体的磁性结构：它看起来像是一组山脉的地形图，有一堆向外延伸的环。如果你沿着一个环走，所有的自旋都会指向同一个方向。但是如果你向外走并穿过不同的环，你会看到这些自旋开始围绕它们的轴旋转。

“我们的研究表明，螺旋自旋液体的概念对于广泛的蜂窝晶格材料是可行的，”共同作者 Andrew Christianson 说：“它为社区提供了一条探索自旋纹理和新颖激发（例如分形）的新途径，然后可能用于未来的应用，例如量子计算。”