【博科园-科学科普】一项新的研究显示，就像一对突然形成四重奏的旋转舞者一样，电子的磁性“旋转”会被四组人缠绕在一起。
这个名为“plaquette singlet”的新量子态，解决了一个长期存在的关于量子力学的问题，即控制微小亚原子粒子行为的神秘定律。这项工作也可能会开启一种新的电子方式，它超越了所有现代计算机中0和1的二进制逻辑。
在新的研究中瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家Mohamed Zayed和他的同事们拿了一块锶铜硼酸盐，这是一种类似于高温超导体的化合物，并把它置于高压之下，冷却到绝对零度以上。当他们加大压力时，他们发现材料中的电子进入了前所未有的状态，其中电子的磁自旋在四组中相互缠绕。这样的状态曾被预测过，但从未真正观察过。
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Zayed说：这种状态的变化(称为相位变化)是现代电子技术的基础。例如半导体的工作是因为它们在特定的电压下从绝缘体变成导体，使电路“开启”和“关闭”。这种从“on”到“off”的切换能力创建了0和1，这构成了计算机计算核心的二进制逻辑。
（如果利用一个相变）一个绝缘体转变为导体——导致了二进制计算机技术，掌握了所有其他可用相变的技术，可能会导致在这个阶段很难想象出完全新颖的技术。
高压现象
科学家已经知道锶铜硼酸盐在低压下的表现。这些材料形成一个二维的晶格，所有的电子都像一组正方形的瓦片一样排列着。每个电子都有一个“自旋”——人们可以把它们想象成微小的磁体，自旋描述为“向上”或“向下”(事实上自旋只是描述电子周围磁场的一种数学方法，并不是一个旋转的物体)。
电子行为受量子力学的约束，所以自旋只能有离散的值。此外量子力学粒子也会被纠缠在一起——一些性质可以被连接，这样粒子就会像一个单一的单位一样运动。在这种情况下一对电子的自旋被纠缠在一起。
当压强上升时电子的排列稍微改变，因为电子之间的距离变化。EPFL团队将锶铜硼酸盐的压力达到每平方英寸80万磅(55000个大气压)。在大约21500个大气压下，一些东西发生了变化:电子的自转被四种而不是两种的组合缠在一起，这种状态被称为plaquette singlet。
为了“看到”新的量子态，科学家们在实验样本中发射了中子;中子是零电荷，但它们有一个磁场，在它们撞击锶化合物后，中子的行为揭示了电子的纠缠态。
预测复杂的行为
虽然这特殊的量子态预测之前,没有人相信这真的会发生,研究合作者Henrik R?nnow说,量子物理学家也EPFL。原因之一是数学很难做到;这是几种可能性之一。
理论家们已经计算出一维情况下粒子的行为(想象一下直线上的电子)和一些二维的情况。但是多粒子2D系统变得更加复杂。
两个粒子很容易处理,R?nnow告诉生活科学。但是对超过两个粒子进行同样的计算是很困难的。当达到20或30个粒子时，即使是最好的计算机也会失去动力。
一种叫做shastry - sutherland模型的理论预测了锶化合物中的电子的二维晶格应该如何运动;它有所谓的精确解，只要压强和温度相对较低(即压力和接近绝对零度的大气压的千分之一)。在不同的条件下数学是不确定的，因此实验测试。
现在他们知道发生了什么可以完善理论的粒子，尤其是在固态系统。这为比较理论和实验的研究开辟了一个领域。”我们有10个不同的理论试图预测这里会发生什么。现在理论家们可以回过头来，说说哪里出了问题。这项研究发表在7月17日的《自然物理》杂志上。
作者：Jesse Emspak
来自：Live Science
编译：光量子
审校：博科园
