利用一种新的计算方法，一项国际合作首次成功地系统地研究了著名的三维热氯化物海森堡模型中的磁量子效应。这一惊人的发现是：物理量子相位只在自旋很小的情况下形成。晶体中的原子和分子排列成规则的三维晶格，原子通过各种力相互作用，最终达到能量最小的状态。在绝对零度附近，晶格振荡冻结，因此电子自旋之间的相互作用占主导地位。一个特别有趣的情况是，当自旋不能同时排列以达到最低能量的状态时。这导致了一个失败的系统，其中的自旋几乎是完全无序，因此被称为自旋液体。

立方晶体结构

博科园-科学科普：研究三维受挫量子磁体主要模型之一是热氯化物晶格上的海森堡模型——一种简单的立方晶体结构。然而到目前为止，要从这个理论模型中得到实际的预测，即对具体材料和温度的预测，是极其困难的。目前德国、日本、加拿大、印度等国的研究团队已经联合运用一种新的理论方法对该模型进行了系统的研究，解决了其中的一些难题。这种新方法可以改变晶格原子的自旋值以及温度等相互作用参数，计算出产生新磁量子效应的参数范围。这些计算是在慕尼黑的莱布尼茨超级计算中心(LRZ)进行。

该模型为立方晶体结构(焦绿石晶格)，不仅包括最近邻居之间的磁相互作用，还包括与下一个最近邻居之间的磁相互作用(见图)。图片：HZB

量子效应只适用于小自旋

来自HZB的理论物理学家Johannes Reuther教授说：我们能够证明量子物理效应令人惊讶地只发生在非常有限的参数范围内，这些量子效应最为明显，最小的自旋(自旋值?)。然而研究小组所研究的晶体结构中的自旋系统，在自旋值为1.5及以上时，其行为几乎完全类似于经典物理系统。改研究加深了我们对固体的理解，并有助于量子材料中三维自旋流体研究的系统性进展。

博科园-科学科普｜研究/来自：亥姆霍兹德国研究中心协会

参考期刊文献: 《物理评论X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011005

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