据悉，美国马里兰大学伯克分校联合量子研究所（JQI）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和乔治敦大学的科学家揭示了物质的量子状态——自旋液体的存在机理，有望加深科学家对超导性的理解。相关研究结果发表在8月12日出版的《物理学评论快报》上。
自旋液体不是人们能触摸到的物质，它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键。例如，在铁磁铁中，原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中，原子的自旋方向会上下改变，上世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。
科学家们表示，可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列，它可能会产生量子自旋液体。比如，有一个等边三角形的反磁铁，每个角上都有一个原子自旋，其中一个自旋向上，一个自旋向下，那么第三个原子采用什么方向自旋呢？它不可能同时与前两个方向相反，因此，物理学家用“挫败”来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见，一个“挫败”自旋系统的妥协是同时存在很多自旋方向，量子系统允许出现这种叠加状态。
在新实验中，科学家们研究了当“挫败”现象出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用。距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示；次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用，观察并计算了可能会出现的状态。
科学家们发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋液体，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。
参与研究的科学家加里塔斯基表示，很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子，其会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋液体。而且，其与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了液体（费密液体）。
