东京工业大学（Tokyo Tech）和横滨国立大学（YNU）的一个科学家团队，在最新的一期的《物理评论通讯》上宣布，他们发现了一个奇特的机制，通过这种机制，自旋扰动穿过了量子自旋液体系统一个看似不可通过的区域，认知了量子自旋液体中的非常规自旋输运（spin transport），这一新的认知将可能为下一代电子设备甚至量子计算机掀起另一波澜。

为什么这样一个奇特机制的发现，是变革性的新跨越，有可能引起下一代电子设备甚至量子计算机的另一波澜？我们首先得从量子自旋液体及其基本特性简单说起，许多人对此还很陌生。

量子自旋液体

量子自旋液体态由物理学家菲尔·安德森（Phil Anderson）于1973年首次提出，它是三角晶格上自旋系统与其近邻进行反铁磁性相互作用的自旋系统的基态。也就是说，相邻的自旋试图在相反的方向上对齐。当1987年安德森提出一种以无序自旋液体状态描述高温超导性的理论时，量子自旋液体引起了人们的进一步关注。

量子自旋液体的基本特性

磁相中最简单的一种是顺磁体，其中每个自旋都独立于其余自旋，就像理想气体中的原子一样。这种高度无序的相是磁体在高温下的一般状态，其中热波动占主导地位。冷却后，自旋通常会进入铁磁体（或反铁磁体）阶段。在此阶段，自旋之间的相互作用使它们对齐为大型图案，例如域、条纹或棋盘格。这些长程距离的图案称为磁序，类似于由许多固体形成的规则晶体结构。

量子自旋液体为这样的典型行为提供了一种戏剧性的替代方法。与铁磁自旋状态相比，这种状态的一种直观描述是无序自旋的“液体” ，犹如与结晶冰相比，液态水处于更多的无序状态方式。但是，与其他无序状态不同，量子自旋液态将其无序状态保持在非常低的温度下。量子自旋液体的更现代的表征涉及它们的拓扑排序（Topological order）、长程量子纠缠性质、和任意子（anyon）激发。

Kitaev自旋液体

2015年8月，在二维材料中观察到了另一种量子自旋液体的证据。一个由美国橡树岭国家实验室、英国剑桥大学、德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的研究人员组成的研究团队，在具有类似于石墨烯结构的二维材料中测量了这些称为马约拉纳费米子的分数粒子（fractional particles）的第一个特征。他们的实验结果成功地与量子自旋液体的一种称为Kitaev蜂窝模型（Kitaev honeycomb model）的主要理论模型相匹配。

如上图所示Kitaev模型在具有锯齿形边缘的蜂窝格子上，红色，蓝色和绿色线代表x、y、z 。这样的蜂窝网络的顶点表示具有两种可能的自旋状态的站点。该模型的一个有趣的特性是，施加在左侧阴影区域的磁脉冲会导致右侧阴影区域的自旋变化，但不会引起中间部分的自旋变化。到目前为止，自旋扰动越过中间区域的机理还不清楚。

自旋输运电子学

我们所知道的电子设备已接近其理论极限，这意味着需要全新的技术来获得更好的性能或更高的小型化。问题在于现代电子技术以操纵电流为中心，因此主要关注移动电子的集体电荷。但是，如果可以以更有效的方式对信号和数据进行编码和发送呢？

自旋电子学是一个有望彻底改变电子技术的新兴技术领域，并有望成为量子计算机发展的关键参与者。在自旋电子器件中，电子的最重要特征是电子的自旋，其固有特性可以广泛地视为其角动量，并且是固体中磁性现象的根本原因。全世界许多物理学家都在努力寻找通过材料生成和运输这个“自旋小包”（spin packets）的实用方法。

介绍了上面有关量子自旋液体及其相关基本特性，下面我们可以来简要了解日本研究团队的这一变革性新跨越的研究成果。

在日本的研究团队最近的这项研究中，研究人员对称为Kitaev模型的特定系统的独特自旋输运特性进行了理论分析。

这个二维模型包括一个蜂窝网络，其中每个顶点都承载一个旋转。 Kitaev系统的特殊之处在于，由于自旋之间存在特殊的相互作用，因此它的行为类似于量子自旋液体。简单来讲，在该系统中不可能以“使每次自旋保持快乐”的独特最佳方式来安排自旋。这种现象称为自旋沮丧。

自旋沮丧，英语：spin frustration，又称自旋挫败，或自旋不稳定性，来自于凝聚体物理学中的一种称为几何不稳定性，或称几何沮丧（geometrical frustration）的特殊现象。这种自旋沮丧导致自旋以特别无序的方式运行。

文章来源：《现代电子技术》 网址: http://www.xddzjs.cn/zonghexinwen/2020/0804/440.html