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新研究提出电子是由两个粒子组成理论的新证据

2021-05-17 07:44 · 稿源:cnbeta

为了从数学上描述这种行为,诺贝尔奖获得者、1973年首次预测自旋液体存在的普林斯顿物理学家菲利普-安德森(Philip Anderson)提出了一种解释:在量子体系中,电子可被视为由两个粒子组成,一个带有电子的负电荷,另一个粒子会自旋。安德森称这种包含自旋能力的粒子为自旋子。在这项新研究中,研究小组在由钌和氯原子组成的自旋液体中寻找自旋子的迹象。

在高于绝对零度(或大约-452华氏度)的几分之一的温度下,加上高强度磁场的影响,氯化钌晶体进入自旋液体状态。

研究生Peter Czajka和博士生Tong Gao将三个高度敏感的温度计连接到放置在一个保持在接近绝对零度开尔文温度的“浴池”中的晶体。然后,他们将磁场和少量的热量施加到一个晶体边缘,以测量其热导率,这是一个表示其传导热流的程度的数值。如果有自旋子存在,它们会在热导率与磁场的关系图中以振荡模式出现。

他们正在寻找的振荡信号是异常微小的,只有几百分之一的变化,因此测量需要对样品温度进行非常精确的控制,并在强磁场中对温度计进行仔细校准。

该团队使用了现有的最纯净的晶体,这些晶体是在美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)生长的,由田纳西大学诺克斯维尔分校的材料科学教授David Mandrus和ORNL中子散射部的企业研究员Stephen Nagler领导,ORNL团队对氯化钌的量子自旋液体特性进行了广泛的研究。

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在近三年进行的一系列实验中,Czajka和Gao以越来越高的分辨率检测到了与自旋子一致的温度振荡,从而提供了电子由两个粒子组成的证据,与安德森的预测一致。

"人们四十年来一直在寻找这一特征,如果这一发现和自旋子的解释得到验证,它将大大推动量子自旋液体领域的发展。从纯粹的实验方面来看,"Czajka说,"看到实际上打破了你在初级物理课上学到的规则的结果是令人兴奋的。"

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