原以为是失误的异常信号……发现“全球首个”量子物质
Dongguk大学物理半导体学科教授 Lim Hyeonsik 团队
论文刊登于《Nature Physics》
东国大学物理半导体学科教授 Lim Hyunsik 2015年受邀前往日本理化学研究所（RIKEN），在研究基于铝（Al）超导体约瑟夫森器件的量子计算机元件（量子比特）时，大吃一惊。与预想相反，他观测到了此前从未被报告过的信号。起初他认为是实验误差或器件本身的问题，于是从头到尾将实验全部重新做了一遍。但即便更换了其他器件，测得的数值仍然相同。Lim教授直觉到，“这可能是一个新的发现”。
这是关于Lim教授的故事。7日，他在国际学术期刊《自然·物理学》（nature physics）上发表论文，称通过极低温硅金属中自旋云的凝聚现象发现了一种新的量子物质，因此受到全世界关注。
国际学术期刊《Nature Physics》于7日将东国大学教授 Lim Hyunsik 等人共同研究团队撰写的、利用自旋云凝聚现象发现新型量子物质的论文作为封面论文刊登。图片由东国大学教授 Lim Hyunsik 提供
View original image此后，Lim教授与汉阳大学教授 Kim Eungyu、Shin Sangjin，成均馆大学教授 Jung Yeonwook 等人共同专注于联合研究，最终取得了这一独一无二的成果。所谓自旋云（康多云），是指在金属或半导体内部为屏蔽磁性而形成的自由电子。在没有电阻、可用于磁悬浮列车、核磁共振成像装置（MRI）等的高温超导现象中，自旋云的作用被认为极其重要。然而，在凝聚态物理学领域，关于自旋云的形成以及进一步由其相互作用产生的新型量子物质的研究，仍存在大量尚未解决的难题。
研究团队在开展量子计算机器件相关研究的过程中，偶然在硅金属中发现了此前未曾在学界被报告的特殊信号。他们判断这并非器件或测量仪器的误差，而很可能是一种新的量子力学物质，由此启动了研究。关于自旋云的研究，由于必须在极低温条件下测量等诸多实验限制，以及在解析上的局限，前期研究极为稀少，但团队并未放弃，自2015年起数年间持续推进相关研究。就在当时，能够自由开展极低温器件实验和最尖端器件工艺的实验室并不多。他们只得每年在假期期间前往日本RIKEN，在“看人脸色”的情况下进行研究。Lim教授回忆称：“从另一面看，参与研究的研究生们能够获得一次体验最尖端国际联合研究的好机会，这一点也很好。”
(图1) a，金属中形成的独立自旋云（Kondo云），以及 b，自旋云凝聚的示意图。
当金属中形成的自旋云密度较低时，自旋云表现出已有充分研究的Kondo效应（由于磁性杂质与周围电子之间的自旋–自旋散射导致电阻在临界温度附近增大的现象）；而当自旋云数量足够多并彼此重叠、出现凝聚现象时，则可能形成一种类似于无库珀对超导体的新型量子物质。图片由东国大学 Lim Hyunsik 教授提供
研究结果表明，在硅金属中观测到的，是在物质的固体、液体、气体、等离子体（Plasma）这些相（phase）之后，于20世纪90年代被发现的、具有“玻色–爱因斯坦凝聚”状态特性的一种新物质。这一结论通过光谱学和电导率测量得以证明。研究团队利用硅金属，在极低温（1开尔文（K），摄氏零下272.15度）下使自旋云发生凝聚，首次在世界范围内发现并阐明了新的量子物质有可能存在的事实。
此次研究成果有望推动人们理解金属及半导体中的自旋–自旋相互作用，并为包括高温超导体在内的多种强关联系物质的研究作出贡献。
Lim教授解释称：“由于自旋云的凝聚相对温度、磁场及周围环境十分敏感，因此看上去可以被用作传感器；如果能够调控自旋–自旋之间的量子纠缠，则有望应用于量子信息技术领域。”他接着表示：“在纯金属中调节自旋云的浓度，从而根据自旋云的凝聚程度，实验观测并理解量子状态会如何变化，以及磁性杂质与周围电子的相互作用会如何不同，这是当前最紧迫、最重要的研究课题。”他还补充说：“如果能够生成并控制另一种量子凝聚状态，就有望将其应用于量子器件技术。通过后续研究，理解在纯金属中随自旋云浓度变化而呈现的各种自旋云物性，这一点至关重要。”
版权所有 © 阿视亚经济 (www.asiae.co.kr)。 未经许可不得转载。
