具有三角形晶格的磁性材料一直是众多研究的焦点，因为理论预测表明它们可以表现出自旋液态。这些是物质的量子相，呈现出有趣的特征，例如量子纠缠和分数激发。

虽然已经有许多实验努力旨在观察具有三角晶格的材料中这些迷人的相，但到目前为止，这已被证明是非常具有挑战性的。一个关键原因是这些材料中的弱自旋轨道耦合和其他扰动通常会导致传统的自旋冻结或磁态。

加利福尼亚大学、波士顿学院、橡树岭国家实验室和美国国家标准与技术研究所的研究人员最近能够在三角形晶格磁铁NaRuO2中产生量子无序基态。他们发表在《自然物理学》上的发现表明这种状态是由磁性材料中的自旋轨道耦合和相关效应之间的协同相互作用实现的。

“我们长期以来一直在研究三角晶格，寻找承载我们所谓的量子无序基态的材料，”进行这项研究的研究人员之一斯蒂芬·D·威尔逊(StephenD.Wilson)告诉Phys.org。“在这些状态下，每个原子上的磁矩，每个原子都位于共享边三角形的网络中，即使在绝对零时也无法排序或冻结到位。这种排序失败名义上是由于量子涨落不断扰乱时刻并有助于定义一种新的、本质上无序的和动态的磁性基态。”

在材料中实现量子基态的一种方法涉及确定有效策略，以将单个电子的轨道自由度与其自旋自由度纠缠在一起。这最终可以通过将不同元素仔细组合在一起来实现，例如在化合物中加入钌(Ru)，该团队的NaRuO2样品中也包含这种元素。

“一个主要的挑战是要干净地制造我们感兴趣的材料NaRuO2，​​”Wilson解释说。“要真正测试量子磁学领域正在发生的事情，你真的需要尽可能多地去除化学杂质等外在因素。一旦我们制造出足够质量的NaruO2，我们就可以进行几个实验，所有的他们揭示了更多关于正在发生的事情的物理学。换句话说，你需要几个不同的窗口来形成复杂材料的全貌。

在发现干净的NaRuO2样品后，Wilson和他的同事们开始进行一系列测试和实验，以更好地了解其基本物理原理。他们首先使用基本的整体表征方法对其进行了检查，例如测量其磁化率和低至极低温度的热容量。

“我们还进行了更先进的实验，如非弹性中子散射和μ介子自旋弛豫测量，”威尔逊说。“所有这些探针都告诉我们一点，当你冷却到基态时，NaRuO2中的磁矩会做什么，每个探针在不同的长度和时间尺度上。当总体图片显示你磁矩无法排序而是波动时当你冷却到远低于它应该的温度时，你就可以开始绘制量子无序基态的图片。”

威尔逊和他的同事进行的实验表明，他们精心设计的NaRuO2样品表现出固有的波动磁性基态。在低温下，材料中的自旋激发在其热容中产生了类似金属的项，并在其中子散射中产生了一系列连续激发，这类似于先前在具有三角形晶格的磁体中观察到的与自旋液态相关的那些。

“我们的工作表明，由自旋轨道纠缠的过渡金属离子(例如Ru)构成的三角晶格非常有趣，最重要的是，破坏传统磁序所需的各向异性相互作用可以在真实材料中实现，”Wilson说。“我们表明，即使在磁交换耦合强度名义上非常强的材料中也会发生这种情况，NaRuO2就是这种情况。”

最近的理论研究将NaRuO2置于严格的铁磁状态，这意味着材料中的主要相互作用应该驱动所有力矩相互平行。虽然铁磁性很容易检测到，但威尔逊和他的同事收集的发现表明它不存在，而是在这个化合物内部发生了其他事情。

未来，新的研究可能有助于更好地理解这种迷人的三角形晶格磁铁的物理特性，从而有可能帮助解开这个谜团。此外，这组研究人员最近的工作可能会激发新的研究，旨在观察其他具有三角形晶格的磁体中的量子自旋液态。

“我们的下一步将是尝试制造这种材料的单晶，”威尔逊补充道。“一旦我们能够探索其固有的各向异性，我们就可以获得更多关于驱动这种不寻常材料的物理学的信息，并且一旦获得单晶，其他实验就成为可能。下一个大问题是NaRuO2形成哪种类型的量子无序磁态-一个希望理想地超越简单地定义状态不是什么，而是开始为磁性基态是什么绘制更精确的实验图。”

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