当量子物理学遇到受挫
在日常语言中，受挫是指无法实现预期结果。在凝聚态物理学中，受挫描述的是更具体、更有趣的情况：粒子之间相互竞争的相互作用阻止任何单一排列同时满足所有条件的局面。受挫的量子系统无法放松到简单的有序状态，结果导致物理现象既极其复杂，同时如新研究所示，包含了没有普通对应物的量子态。
研究人员发现了一种新型量子态，当材料中的原子在几何上受到挫折时就会出现这种量子态——晶格结构阻止相邻原子同时满足所有的量子力学相互作用偏好。这些在《科学日报》中描述的发现揭示了一种量子序，它在基本上不同于人们熟知的物质相——固体、液体、气体，甚至包括物理学家在过去一个世纪中分类的超导体和超流体等量子相。
这一发现增进了我们对量子材料的理解，表明量子材料所包含的态的种类远比经典直觉所表明的要丰富得多。在经典受挫系统（如三角晶格上的反铁磁体）产生特定的简并构型的地方，量子受挫系统可以进入这样的相：量子力学叠加和纠缠产生了没有经典对应物的集体行为——这些相不是由通常意义上的对称性破缺定义的，而是由遍布整个材料的量子纠缠模式定义的。
什么是量子受挫？
为了理解为什么受挫会产生新的物理现象，考虑一个简单的例子。在三角形的三个角上放置三块磁铁，这些磁铁之间的相互作用倾向于相邻的磁铁指向相反的方向。三个中的两个可以同时得到满足，但满足其中两个使得不可能满足第三个：无论第三个磁铁指向哪个方向，它至少会与一个邻近的磁铁产生冲突。这个系统受到了挫折——它无法达到满足所有相互作用的最小能量状态。
在量子力学中，受挫系统处理这一困境的方式不同于经典系统。量子受挫系统不是选择能量相等的经典构型之一并停留在那里，而是可以同时存在于多个构型的叠加状态中。结果是一个没有经典对应物的量子态——一个同时探索多个受挫排列的系统，其中材料不同部分之间的关联被编码为量子纠缠而不是经典序。
这些量子自旋液体态（当受挫的实体是磁矩时的常用术语）是奇异的，难以产生和表征。它们的有趣之处不仅在于所代表的基础物理，还在于潜在的实际应用——量子自旋液体是拓扑量子计算的候选平台，其中量子信息被存储在非局部纠缠模式中，这种模式能抵抗破坏传统量子比特的局部噪声。
研究人员发现了什么
新研究在一种材料中发现了一个特定的量子态，其中精心设计的原子相互作用在以前未曾通过实验研究过的几何形状中产生了受挫。研究团队采用中子散射（对原子尺度的磁有序模式很敏感）和先进的理论建模相结合的方法，对受挫原子的集体量子态进行了表征，并找到了与以前已知的量子相不一致的特征。
该态似乎是一种新型量子液体——一个量子涨落即使在极低温度下也保持强烈的相，阻止系统冻结成任何有序构型。将其与以前已知的量子自旋液体区分开来的是激发的性质：从平衡态出发的基本扰动在材料中传输能量和信息，具有不寻常的性质，研究人员认为这与一种以前从未在实材料中观察到的拓扑序的理论预言一致。
制造这种材料需要精确控制原子组成和晶体生长，以实现挫折主导系统行为所需的特定几何形状。研究团队开发的合成路线为制造具有可调谐受挫参数的类似材料提供了一个模板，这将允许系统地探索当相互竞争的相互作用之间的平衡变化时量子态的演变——这是建立对新相完整理论理解的必要能力。
潜在应用
受挫量子材料的实际应用仍然是推测性的，但在科学上是有根据的。具有拓扑序的量子自旋液体在理论上能够容纳任意子——准粒子以一种从本质上受到该态的拓扑性质保护而免受退相干影响的形式携带量子信息。基于这些受保护态的拓扑量子计算将比当前的量子比特平台更加稳健，后者需要复杂的错误纠正来补偿传统量子态的脆弱性。
发现具有与拓扑序一致的特征的新量子相因此是构建实用拓扑量子计算机长期项目中的重要里程碑，尽管此类技术的商业部署仍需多年才能实现。每一个拓扑有序材料的新实现都为测试理论预言和开发最终器件制造所需的材料控制提供了实验工具。
除了量子计算之外，受挫量子材料可能在量子传感中找到应用——利用量子力学性质来测量物理量的设备，其精度超过经典传感器的能力。受挫量子系统对小扰动的敏感性（反映了它们倾向于存在于相边界附近的趋势）可以被利用来检测磁场传感、重力测量或其他精密测量应用中的弱信号。
对量子物理学的更广泛意义
新量子相的发现延续了凝聚态物理学中的一个传统：自然比我们最初的理论框架所包含的更奇异、更丰富。该领域的历史被众多发现所标记——超导性、量子霍尔效应、拓扑绝缘体——这些发现揭示了全新的量子行为类别，需要新的理论结构来描述。每一项这样的发现最终都产生了技术应用和更深入的理论理解。
新的受挫量子态加入了越来越多的奇异量子相的目录中，研究人员只有在最近几年才能够识别和研究这些相，因为材料合成、测量技术和理论工具的改进打开了以前无法接近的量子物理学领域。新量子现象被发现的速率表明，量子物质的地图仍在被绘制中，大量真正新的物理学领域仍有待在实验室中合成和研究的材料中探索。
本文基于《科学日报》的报道。阅读原文。
Originally published on sciencedaily.com