利用一種新的計算方法，一項國際合作首次成功地系統地研究了著名的三維熱氯化物海森堡模型中的磁量子效應。這一驚人的發現是：物理量子相位只在自旋很小的情況下形成。晶體中的原子和分子排列成規則的三維晶格，原子通過各種力相互作用，最終達到能量最小的狀態。在絕對零度附近，晶格振盪凍結，因此電子自旋之間的相互作用占主導地位。一個特別有趣的情況是，當自旋不能同時排列以達到最低能量的狀態時。這導致了一個失敗的系統，其中的自旋幾乎是完全無序，因此被稱為自旋液體。

立方晶體結構

博科園-科學科普：研究三維受挫量子磁體主要模型之一是熱氯化物晶格上的海森堡模型——一種簡單的立方晶體結構。然而到目前為止，要從這個理論模型中得到實際的預測，即對具體材料和溫度的預測，是極其困難的。目前德國、日本、加拿大、印度等國的研究團隊已經聯合運用一種新的理論方法對該模型進行了系統的研究，解決了其中的一些難題。這種新方法可以改變晶格原子的自旋值以及溫度等相互作用參數，計算出產生新磁量子效應的參數範圍。這些計算是在慕尼黑的萊布尼茨超級計算中心(LRZ)進行。

• 該模型為立方晶體結構(焦綠石晶格)，不僅包括最近鄰居之間的磁相互作用，還包括與下一個最近鄰居之間的磁相互作用(見圖)。圖片：HZB

量子效應只適用於小自旋

來自HZB的理論物理學家Johannes Reuther教授說：我們能夠證明量子物理效應令人驚訝地只發生在非常有限的參數範圍內，這些量子效應最為明顯，最小的自旋(自旋值½)。然而研究小組所研究的晶體結構中的自旋系統，在自旋值為1.5及以上時，其行為幾乎完全類似於經典物理系統。改研究加深了我們對固體的理解，並有助於量子材料中三維自旋流體研究的系統性進展。

博科園-科學科普｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協會

參考期刊文獻: 《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011005

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