難以捉摸的孤自旋子已被觀測到，這證實了理論預言，并為量子技術和磁學開啟了新的大門。

在一項可能徹底改變人們對量子磁學理解的突破性研究中，科學家們證明，曾經被認為只能成對存在的自旋子（spinon），實際上可以單獨運動。

這一發現進一步加深了對磁性的理解，并可能有助于為未來技術鋪平道路，包括量子計算機和先進磁性材料。

當自旋翻轉激起漣漪

自旋子是一種準粒子（quasiparticle），它們在磁系統中表現為類似單個粒子的量子擾動。

它們出現在低維量子材料中，尤其是一維（1D）自旋鏈中。在這些鏈中，電子呈線性排列，并通過其量子自旋相互作用。

在這樣的系統中，翻轉一個自旋不僅僅影響一個電子；它會在整個鏈上產生漣漪。這個漣漪可以作為一個離散的實體，攜帶 ? 的自旋值。這個實體就是自旋子。

如今，磁體是許多技術的核心，包括計算機內存、揚聲器、電動機和醫療成像設備。

自旋子的概念可追溯到 20 世紀 80 年代初，當時物理學家路德維希·法捷耶夫 (Ludwig Faddeev) 和列昂·塔赫塔揚 (Leon Takhtajan) 提出，在某些量子模型中，一個自旋為 1 的激發可以分裂成兩個自旋為 ? 的激發。

這些激發被命名為自旋子。它們被視為奇特的粒子，因為它們表現得像一個不可分割的量子自旋分裂成了兩個部分。

然而，迄今為止的所有實驗觀測都只檢測到成對的自旋子，這強化了它們不能獨立存在的觀念。

這一假設如今受到了挑戰。

孤旋獨行

在一項新的理論研究中，來自華沙大學和不列顛哥倫比亞大學的物理學家展示了如何利用一個著名的量子磁學模型 —— 海森堡自旋-? 鏈（Heisenberg spin-? chain） —— 來分離出單個的自旋子。

通過在該系統（無論是其基態，還是一個稱為價鍵固體（VBS）的簡化模型）中添加一個單獨的自旋，他們證明了單個未配對的自旋可以自由地在自旋鏈中移動，表現得像一個孤獨的自旋子。

讓這一發現更具影響力的是，它并非純粹的理論。由 C. Zhao 領導并于近期發表在《自然-材料》上的一項實驗，在基于納米石墨烯的反鐵磁鏈（nanographene-based antiferromagnetic chains）中觀測到了自旋-? 激發，這些激發反映了研究中描述的孤自旋子行為。

這一實驗驗證證實，該現象可以在真實的量子材料中發生，而不僅僅是在模擬中。

理解單個自旋子如何能夠存在具有深遠的意義。自旋子與量子糾纏（quantum entanglement）密切相關，后者是量子計算和量子信息科學的核心原理。

它們也存在于奇特的物質態中，如高溫超導體和量子自旋液體。

通過更好地控制自旋子動力學，科學家們可以為開發先進的磁性材料以及潛在的量子計算機量子比特（qubit）系統開辟新的途徑。

“我們的研究不僅加深了我們對磁體的認識，也可能對物理學和技術的其他領域產生深遠的影響，”華沙大學物理學院的克日什托夫·沃爾費爾德（Krzysztof Wohlfeld）教授表示。

該研究發表在《物理評論快報》 期刊上。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！