美国能源部下属橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们利用中子散射来确定一种特定材料的原子结构是否能够承载一种叫做螺旋自旋液体的新型物质状态。该研究小组通过追踪被称为”自旋”的微小磁矩在层状三氯化铁磁体的蜂窝状晶格上发现了第一个承载螺旋自旋液体的二维系统。
这一发现为未来研究可能推动下一代信息技术的物理现象提供了一个试验台。这些现象包括分形子和斯格明子。分子是集体量化的振动，在量子计算中可能被证明是有前景的。斯格明子是新型的磁自旋纹理，可以推进高密度数据存储。
ORNL的研究人员 Shang Gao说：“承载螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能被用来产生量子自旋液体、自旋纹理和分子激发，”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，蜂窝状的晶格可以承载螺旋自旋液体。这是物质的一个新阶段，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。
然而，在这项研究之前，二维系统中的这种相的实验证据一直缺乏。二维系统包括一个层状晶体材料，其中平面上的相互作用比堆积方向上的更强。
研究人员将三氯化铁确定为测试该理论的一个有希望的平台，该理论是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了来自ORNL的Michael McGuire，他在生长和研究二维材料方面有广泛的工作经验，询问他是否会合成和描述一个三氯化铁的样品，以便进行中子散射测量。就像二维石墨烯层作为纯碳的蜂窝状格子存在于块状石墨中一样，二维铁层作为二维蜂窝状层存在于块状三氯化铁中。“以前的报告暗示，这种有趣的蜂窝状材料在低温下可能显示出复杂的磁性行为，”McGuire说。
“每个蜂窝状的铁层在其上方和下方都有氯原子，构成氯-铁-氯板，”McGuire说。”一个板块顶部的氯原子通过范德瓦耳斯键与下一个板块底部的氯原子发生非常弱的相互作用。这种微弱的结合使得像这样的材料很容易被剥离成非常薄的层，往往是一个单一的板块。这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变是很有用的。”
在量子材料中，电子自旋可以有集体和外向的行为。如果一个自旋移动，所有的自旋都会做出反应–一种被爱因斯坦称为”远距离幽灵行动”的纠缠状态。该系统保持在一种挫折状态–一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠的电子波动以作出反应。
60年前，第一个氯化铁晶体的中子衍射研究是在ORNL进行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模拟、理论、成像和计算方面的广泛专业知识使其能够对磁性量子材料进行开拓性的探索，从而推动下一代信息安全和存储技术的发展。
绘制螺旋自旋液体中的自旋运动图是由美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施–辐照中子源和高通量同位素反应堆的专家和工具实现的。ORNL的合作者们对中子散射实验的成功至关重要。Clarina dela Cruz领导了使用HFIR的POWDER衍射仪的实验；刘耀华领导了使用SNS的CORELLI光谱仪的实验；Matthias Frontzek领导了使用HFIR的WAND2衍射仪的实验；Matthew Stone领导了操作SNS的SEQUOIA光谱仪的实验；以及Douglas Abernathy领导了操作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，”研究人员说。
“中子散射实验测量了中子如何与样品交换能量和动量，从而可以推断出磁特性，”共同作者Matthew Stone说。他描述了螺旋自旋液体的磁结构：“它看起来像一群山的地形图，有一堆环状物向外延伸。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，穿过不同的环，你会看到那些旋转开始围绕它们的轴旋转。这就是螺旋。”
“我们的研究表明，螺旋自旋液体的概念对于广泛的蜂窝状晶格材料是可行的，”共同作者Andrew Christianson说。“它为社区提供了一条探索自旋纹理和新型激发的新途径，如分形子，然后可能用于未来的应用，如量子计算。”
