在物质的新状态下，电子可以分裂成碎片

四十年前，理论物理学家预测某些磁性材料会进入一种奇异状态，电子会分裂成碎片。现在研究人员在二维材料中观察到了这些分数电子，证明了所谓的量子自旋液体确实存在。

量子自旋液体是一种奇异的物质状态，其中电子分解成称为马约拉纳费米子的准粒子。在本周发表在《自然材料》杂志上的一篇新论文中，科学家们研究了具有蜂窝结构的二维材料α氯化钌。他们使用了一种称为中子散射的技术：将一束中子从物体上弹起，并观察它们形成的图案。

如果 α 氯化钌处于典型状态，中子会产生锐线图案。但理论上的量子自旋液体会产生不同的图案。事实上，2014 年，本文的一位合著者预测量子自旋液体会产生宽曲线图案。这与研究人员在实验中看到的情况相符。

这一发现引发了一些令人困惑的问题。什么是量子自旋液体？它与液体相比如何？如何将电子这样的基本粒子分裂成碎片？欢迎来到复杂的量子领域——让我们以问答的方式一一解析。

什么是量子自旋液体？

物质可以以不同的状态存在——冰块、一杯水和水壶里的蒸汽都是 H ₂ O 的形式。但这些只是我们在日常生活中最常见的状态。在某些条件下，物质可以呈现更奇特的形式和行为。

其中一种更奇特的状态被称为量子自旋液体。所有电子都具有一种称为自旋的特性，它可以向上或向下。在某些物质状态下，这些自旋会对齐并指向同一方向。一般来说，随着材料冷却，其电子自旋将开始越来越对齐。但在量子自旋液体中，根本没有对齐，电子处于无序状态。

正是这种无序性，才使它被称为液体——固体中的分子排列有序，而液体中的分子则杂乱无章地晃动在一起。冷却液体虽然会使其变成固体，但冷却量子自旋液体似乎不会降低其电子的无序性。

这是因为自旋不仅指向截然不同的方向，而且它们还相互作用。这导致电子表现得像电子碎片。具体来说，它们表现得像一种称为马约拉纳费米子的奇怪准粒子。

那么马约拉纳费米子是什么？

通常情况下，电子的反物质对立面是反电子，质子的反物质孪生体是反质子。这意味着当电子撞击反电子或质子撞击反质子时，这两个粒子会湮灭。这些被称为反粒子。1937 年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出，可能存在一种粒子，它是自己的反粒子——马约拉纳费米子。马约拉纳费米子可以湮灭另一个马约拉纳费米子——它是自己的反孪生体。很酷，对吧？

马约拉纳费米子从何而来？

电子可以分解成马约拉纳费米子。

这毫无意义！电子是基本粒子——你不应该把它们分解成连贯的部分。

没错。但在某些材料中，当电子自旋相互作用时，电子的行为就像它们分解成更小的组件一样。因此，为了做出准确的数学预测，将电子碎片（又称马约拉纳费米子）视为真实粒子很方便。但从技术上讲，它们只是用来解释非常复杂系统行为的理论构造。这就是为什么它们被称为准粒子。

等等，那么准粒子实际上并不是真实存在的吗？

嗯，它们是一个有用的概念，我们可以用它来模拟复杂的系统。没错，你永远不可能用一把小镊子夹起一个马约拉纳费米子，然后说“啊哈，它就在那儿。”但假设马约拉纳费米子存在，你就可以准确地预测像这种量子自旋液体这样的系统的行为。只是……不要想太多。

那么对于这个实验，科学家们是基于马约拉纳费米子存在的假设来做出预测的？

没错。2014 年，研究人员从理论上预测了中子如何从具有马约拉纳费米子的系统中散射。当他们实际在量子自旋液体上进行中子散射时，实验结果与预测相符。

我头疼。tl;dr 版本是什么？

科学家发现了一种被称为量子自旋液体的物质状态的实验证据，这种物质状态包含称为马约拉纳费米子的准粒子。这一发现证实了一个已有四十年历史的理论，并为研究人员在试图寻找量子自旋液体状态的物质时提供了一种目标材料。这可以帮助研究量子力学、超对称性和超导性的研究人员。哦，马约拉纳费米子也可以用来制造量子计算机。