量子物理受挫的时候
在日常语言中，受挫描述了无法实现期望结果的状态。在凝聚态物理中，受挫描述了一些更具体且更有趣的现象：一种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情况。受挫量子系统无法放松到简单有序态，其结果是既极其复杂又是，正如新研究所示，拥有没有普通类似物的量子态的物理。
研究人员发现了一种新颖的量子态，当材料中的原子在几何上受挫时就会出现——晶格结构阻止相邻原子同时满足所有量子力学相互作用偏好。这些发现由Science Daily报道，揭示了一种与熟悉的物质相——固体、液体、气体，甚至像超导体和超流体这样物理学家在过去一个世纪中分类的量子相——根本不同的量子序。
这一发现有助于我们越来越深入地理解，量子材料拥有的状态种类远比经典直觉所暗示的要丰富得多。在经典受挫系统（如三角晶格上的反铁磁体）产生特定的简并配置的地方，量子受挫系统可以进入量子力学叠加和纠缠产生没有经典对应的集体行为的相——这些相不是由常规意义上的破缺对称性定义，而是由扩展到整个材料的量子纠缠模式定义的。
什么是量子受挫？
要理解为什么受挫会产生新的物理，考虑一个简单的例子。将三块磁铁放在三角形的三个角上，相互作用倾向于相邻的磁铁指向相反的方向。三块中的两块可以同时得到满足，但满足两块使得不可能满足第三块：无论第三块磁铁指向哪个方向，它都会与至少一个邻近磁铁产生冲突。系统是受挫的——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，受挫系统处理这个困境的方式与经典系统不同。量子受挫系统不是选择一个能量上简并的经典配置然后被卡住，而是可以同时存在于许多配置的叠加中。结果是一个没有经典类似物的量子态——一个系统同时探索多个受挫排列，不同材料部分之间的关联编码在量子纠缠而不是经典序中。
这些量子自旋液态，当受挫实体是磁矩时通常这样称呼它们，是奇异的且难以制造和表征的。它们不仅因为它们所代表的基础物理而引起兴趣，而且因为潜在的实际应用——量子自旋液体是拓扑量子计算的候选平台，其中量子信息存储在非局域纠缠模式中，这种模式对抗摧毁常规量子比特的局域噪声。
研究人员发现了什么
新的研究在一种材料中识别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实验研究过的几何形状中产生受挫。使用中子散射的组合（它对原子尺度的磁序模式敏感）和先进的理论建模，团队表征了受挫原子的集体量子态，并找到了与以前已知量子相不一致的迹象。
这个态似乎是一种新型的量子液体——一个即使在极低温度下量子涨落仍然很强的相，防止系统冻结成任何有序配置。区别于以前已知的量子自旋液体的是激发的性质：从平衡状态的基本扰动，携带能量和信息通过材料，具有研究人员描述为与理论预测一致的不寻常性质，这是一种以前未曾在真实材料中观察到的拓扑序类型。
生产这种材料需要精确控制原子成分和晶体生长，以达到受挫主导系统行为所需的特定几何形状。团队开发的合成路线为生产具有可调受挫参数的类似材料提供了模板，这将允许系统探索量子态如何随着相互竞争相互作用之间的平衡变化而演变——这是建立对新相的完整理论理解所必需的能力。
潜在应用
受挫量子材料的实际应用仍然是推测性的但科学基础扎实的。具有拓扑序的量子自旋液体理论上能够容纳任意子——携带量子信息的准粒子，以一种本质上受到态的拓扑性质保护免受退相干的形式。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健壮，这些平台需要复杂的错误纠正来补偿常规量子态的脆弱性。
发现具有与拓扑序一致的特征的新量子相因此是建立实用拓扑量子计算机这一长期项目中的重要里程碑，尽管这种技术的商业部署仍然需要很多年。每一个拓扑有序材料的新实现都增加了用于测试理论预测和开发最终设备制造所需的材料控制的实验工具包。
除了量子计算，受挫量子材料可能在量子传感中找到应用——使用量子力学性质以超过经典传感器能够达到的精度测量物理量的设备。受挫量子系统对小扰动的敏感性，这反映了它们倾向于存在于相边界附近的趋势，可以被利用于检测磁场传感、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中的一个传统，即发现自然比我们的理论框架最初所包含的更加奇异和丰富。该领域的历史以发现为标志——超导性、量子霍尔效应、拓扑绝缘体——这些揭示了完全新的量子行为类别，需要新的理论结构来描述。每一个这样的发现最终都产生了技术应用和更深层的理论理解。
新的受挫量子态增加了奇异量子相的不断增长的目录，研究人员只能在最近几年才能识别和研究，因为材料合成、测量技术和理论工具的改进已经打开了以前无法进入的量子物理体制。发现新量子现象的速率表明，量子物质的地图仍在绘制中，大量真正新的物理领域仍然存在于可以在实验室中合成和研究的材料中。
本文基于Science Daily的报道。阅读原文。
