困扰科学家几十年的量子谜题终于被破解

量子自旋液体多年来一直吸引着物理学家，因为它们最终可能支持变革性技术，包括量子计算和无耗散能量传输。与普通磁铁会形成有序排列不同，这些材料不会呈现常规的磁有序。相反，在接近绝对零度时，其磁矩保持强烈量子纠缠并持续集体运动，产生类似涌现量子电动力学的行为。

“通过直接探测这些激发态，我们解答了一个重要的开放性问题，”萨姆与海伦·沃登物理学与天文学教授戴（Dai）表示，“这证实了Ce₂Zr₂O₇是一种真正的量子自旋冰，即三维量子自旋液体中的特殊类别。”

### 利用极化中子散射实现更清晰的测量
为捕捉这些难以捉摸的特征，研究人员借助先进的极化中子散射技术。该方法能分离出目标磁散射信号并滤除其他干扰，即便在系统接近零温极限时也有效。

测量还发现零能量附近的涌现光子信号——这是区分量子自旋冰与常规磁铁常见物相的关键标志。比热测量进一步证实，这些预测的涌现光子色散关系类似声波在固体中的传播方式。

早期验证此类行为的尝试常受技术噪声和数据不全影响。莱斯大学团队通过改进样品制备和使用高精度仪器，并在欧美主要实验室的国际合作支持下，成功克服了这些挑战。

### 首次观测具有重大意义
在这种三维候选材料中，研究人员同时观测到涌现光子和自旋子——量子自旋冰的核心特征。该结果解决了凝聚态物理领域的长期争议，为研究下一代量子现象和潜在技术路径提供了坚实平台。

莱斯大学物理学与天文学系研究科学家、第一作者高斌（Bin Gao）表示，这些发现验证了数十年的理论预期。

“这一惊人结果将激励科学家深入研究这类独特材料，可能改变我们对磁铁及极端量子体系中材料行为的理解。”高斌说。

### 研究团队与资助
本研究共同作者包括多伦多大学的Félix Desrochers和Yong Baek Kim、保罗·谢勒研究所的莱斯大学校友David Tam、维也纳技术大学的Silke Paschen、Diana Kirschbaum和Duy Ha Nguyen、劳厄-朗之万研究所的Paul Steffens和Arno Hiess、海因茨·迈尔-莱布尼茨中心于利希分中心的苏艺曦（Yixi Su）以及罗格斯大学的Sang-Wook Cheong。

美国能源部、戈登与贝蒂·摩尔基金会及罗伯特·A·韦尔奇基金会为该研究提供了资助。