研究小組直接對産生這種磁性的微觀物體 —— 一種不尋常的極化子 —— 進行了成像。

不是所有的磁鐵都是一樣的。當我們想到磁性時，我們通常會想到粘在冰箱門上的磁鐵。對于這些類型的磁體，自量子力學早期以來，人們對産生磁性的電子相互作用的理解，已經有了大約一個世紀的時間。但自然界中還有許多不同形式的磁性，科學家們仍在探索驅動它們的機制。

現在，普林斯頓大學的物理學家們在理解一種被稱爲“動態磁性”的磁性形式方面取得了重大進展，他們將超冷原子束縛在人工激光構建的晶格中。他們的實驗記錄在本周發表在《自然》雜志上的一篇論文中，研究人員可以直接對産生這種磁性的微觀物體進行成像，這種磁性是一種不尋常的極化子，或者是在相互作用的量子系統中出現的准粒子。

了解動力學磁性

“這非常令人興奮，”普林斯頓大學物理學教授、該論文的資深作者瓦西姆·巴克爾（Waseem Bakr）說。磁性的起源與原子陣列中雜質的運動有關，因此被稱爲動態磁性。這種運動是非常不尋常的，即使在非常高的溫度下也會産生強大的磁性。結合摻雜磁性的可調性（添加或去除顆粒），動力學磁性在實際材料中的器件應用是非常有前景的。”

巴克爾和他的團隊在以前的研究中未實現的詳細程度上研究了這種新形式的磁性。在超冷原子系統的控制下，研究人員第一次能夠可視化産生動力學磁性的細粒度物理。

量子發現的先進工具

“在我們的實驗室裏，我們有能力在晶格中的單原子和單位點水平上觀察這個系統，並對系統中粒子之間微妙的量子相關性進行‘快照’，”巴克爾說。

幾年來，巴克爾和他的研究小組通過在真空室中實驗超低溫亞原子粒子費米子來研究量子態。他們設計了一種複雜的裝置，可以將原子冷卻到超冷的溫度，並將其裝載到使用激光束制造的稱爲光學晶格的人造晶體中。這個系統使研究人員能夠探索量子世界的許多有趣的方面，包括相互作用的粒子集合的緊急行爲。

理論基礎和實驗見解

一種早期理論提出的磁性機制爲該團隊目前的實驗奠定了基礎，被稱爲“長岡鐵磁性”，以其發現者長岡洋介命名。鐵磁體中電子的自旋態都指向同一個方向。

雖然具有排列自旋的鐵磁體是最熟悉的磁鐵類型，但在最簡單的理論設置中，晶格上強相互作用的電子實際上傾向于反鐵磁性，其中自旋以交替方向排列。這種對相鄰自旋反排列的偏好是相鄰電子自旋間接耦合的結果，稱爲超交換。

然而，長岡從理論上認爲，鐵磁性也可能是由一種完全不同的機制産生的，這種機制是由故意添加的雜質或摻雜劑的運動決定的。這可以通過想象一個二維方形晶格來最好地理解，其中每個晶格點，除了一個例外，都被一個電子占據。未占據的位點（或空穴摻雜物）在晶格中四處遊蕩。

長岡發現，如果空穴在排列自旋或鐵磁體的環境中運動，則空穴運動的不同軌迹會在量子力學上相互幹擾。這增強了空穴量子位置外的擴散，降低了動能，這是一個有利的結果。

長岡的遺産與現代量子力學

長岡定理很快得到了認可，因爲幾乎沒有嚴謹的證據來解釋強相互作用電子系統的基態。但由于模型的嚴格要求，通過實驗觀察結果是一項艱巨的挑戰。在這個定理中，相互作用需要是無限強的，並且只允許有一種摻雜劑。在長岡提出他的理論50多年後，其他研究人員意識到這些不現實的條件可以在三角形幾何的晶格中顯著放松。

量子實驗及其意義

爲了進行實驗，研究人員使用了锂-6原子的蒸氣。锂的這種同位素包含三個電子、三個質子和三個中子。“奇數的總數使它成爲費米子同位素，這意味著原子的行爲與固態系統中的電子相似，”普林斯頓大學物理學研究生本傑明·斯帕爾（Benjamin Spar）說，他是該論文的共同主要作者。

當這些氣體用激光束冷卻到僅比絕對零度高幾十億分之一度的極端溫度時，它們的行爲開始受量子力學原理的支配，而不是更熟悉的經典力學。

通過冷原子裝置探索量子態

“一旦我們實現了這個量子系統，接下來我們要做的就是將原子加載到三角形光學晶格中。在冷原子裝置中，我們可以控制原子移動的速度或它們彼此相互作用的強度。”

在許多強相互作用的系統中，晶格中的粒子被組織成“莫特絕緣體”，這是一種物質狀態，其中單個粒子占據晶格的每個位置。在這種狀態下，由于相鄰位置上的電子自旋之間的超交換，存在弱反鐵磁相互作用。但是，研究人員沒有使用莫特絕緣體，而是使用了一種叫做“摻雜”的技術，這種技術要麽去除一些粒子，從而在晶格中留下“洞”，要麽增加額外的粒子。

揭示量子磁性的新形式

“在我們的實驗中，我們不會從每個位點一個原子開始，”巴克爾說。“相反，我們在晶格上塗上孔或粒子。當你這樣做的時候，你會發現在這些系統中有一種比通常的超交換磁性更強大的磁性形式，在更高的能量尺度上被觀察到。這個能量尺度與晶格中原子的跳躍有關。”

與真實材料相比，利用光學晶格中更大的晶格點間距，研究人員能夠用光學顯微鏡看到單位點水平上發生的事情。他們發現，産生這種新形式磁性的物體是一種新型的磁性極化子。

極化子在量子系統中的作用

“極化子是一種准粒子，出現在具有許多相互作用成分的量子系統中，”巴克爾說。“它的行爲非常像普通粒子，從某種意義上說，它具有電荷、自旋和有效質量等特性，但它不是像原子那樣的實際粒子。在這種情況下，它是一種摻雜劑，它在磁場環境受到幹擾的情況下四處移動，或者它周圍的自旋是如何相對排列的。”

在真實材料中，這種新形式的磁性以前曾在由堆疊的二維晶體組成的所謂莫爾材料中觀察到，這只在去年才發生。

深入探索量子磁性

“可用于這些材料的磁性探針是有限的。用莫爾材料進行的實驗已經測量了宏觀效應，這與施加磁場時大塊材料的反應有關，”斯帕說。“有了冷原子裝置，我們可以深入研究産生磁性的微觀物理。我們已經拍攝了詳細的圖像，揭示了移動摻雜劑周圍的自旋相關性。例如，我們發現空穴摻雜劑在移動時被反排列的自旋包圍，而粒子摻雜劑則相反，被排列的自旋包圍。”

這項研究在凝聚態物理中具有深遠的意義，甚至超出了對磁性物理的理解。例如，這些極化子的更複雜版本已經被假設爲導致空穴摻雜劑配對的機制，這可能導致高溫下的超導性。

量子磁學研究的未來方向

“這項研究最令人興奮的部分是，它確實與凝聚態物質領域的研究同時進行，”研究生、該論文的共同主要作者馬克斯·普裏查德（Max Prichard）說。“我們處在一個獨特的位置，可以從一個完全不同的角度及時洞察問題，各方都受益。”

展望未來，研究人員已經在設計新的創新方法來進一步探索這種新的、奇特的磁性形式，並更詳細地研究自旋極化子。

極化子研究的下一步

“在第一個實驗中，我們只是簡單地拍攝了極化子的快照，這只是第一步，”普裏查德說。“但我們現在有興趣對極化子進行光譜測量。我們想知道極化子在相互作用系統中存在多久，測量極化子在晶格中傳播時結合在一起的能量和它的有效質量。還有很多事情要做。”

該團隊的其他成員包括現供職于芝加哥大學的佐伊·嚴，西班牙巴塞羅那大學的理論家伊萬·莫雷拉，以及瑞士蘇黎世理論物理研究所的尤金·德姆勒。

這項實驗工作得到了美國國家科學基金會、陸軍研究辦公室以及大衛和露西爾·帕卡德基金會的支持。

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