研究发现一种不会结冰的水，一种新的量子态

水会结冰吗？当然会。

有不会结冰的水吗？

无论天气有多冷，水都不会结冰——一个由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹研究中心（HZDR）参与的研究小组发现了一种可以用这种方式描述的量子态。

来自日本东京大学固态物理研究所、美国约翰斯·霍普金斯大学和德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所（MPI-PKS）的专家们设法将一种特殊材料冷却到接近绝对零度的温度。

他们发现，原子的一个中心特性——它们的排列并没有像往常一样“冻结”，而是保持在“液态”状态。这种新的量子材料可以作为开发新型、高灵敏度量子传感器的模型系统。该小组在《自然物理学》杂志上发表了他们的发现。

乍一看，量子材料看起来与正常物质没有什么不同，但它们确实会做自己的事情：在内部，电子以不同寻常的强度相互作用，既相互作用，也与晶格中的原子相互作用。这种密切的相互作用产生了强大的量子效应，不仅作用于微观，也作用于宏观。

由于这些效应，量子材料表现出显著的特性。例如，它们可以在低温下完全无损耗地导电。通常，即使温度、压力或电压发生轻微变化，也足以显著改变材料的行为。

原则上，磁体也可以被视为量子材料；毕竟，磁性是基于材料中电子的固有自旋。HZDR德累斯顿磁场实验室（HLD）的Jochen Wosnitza教授解释道：“在某些方面，这些自旋可以表现得像液体。随着温度下降，这些无序的自旋会冻结，就像水冻结成冰一样。”

例如，某些类型的磁体，如所谓的铁磁体，在其“冻结”点或更精确的排序点以上是非磁性的。只有当它们降到改点以下时，它们才能变成永久磁铁。

该研究团队打算创造一种量子态，在这种量子态中，与自旋相关的原子排列没有顺序，即使在与液体类似的超冷温度下，即使在极冷的情况下，也不会凝固。为了达到这种状态，研究小组使用了一种特殊的材料——元素镨、锆和氧的化合物。他们认为，在这种材料中，晶格的性质将使电子自旋能够以特殊的方式与其围绕原子的轨道相互作用。

然而，前提是要有极高纯度和质量的晶体。经过多次尝试，该团队最终生产出足够纯净的晶体用于他们的实验：在低温恒温器（一种超级保温瓶）中，专家们逐渐将样品冷却到20毫开尔文，仅比绝对零度高出五十分之一度。

为了观察样品对冷却过程和磁场内部的反应，他们测量了样品长度的变化。在另一项实验中，研究小组记录了晶体对直接通过其发送的超声波的反应。

结果显示：如果自旋被有序化，它会导致晶体行为的突然变化，比如长度的突然变化。然而，该团队的样品什么都没有发生！无论是长度还是对超声波的反应都没有突然变化。

为什么会这样?

自旋和轨道的显著相互作用阻止了有序化，这就是为什么第一次观察到这样的量子态时，原子仍处于液态量子态。对磁场的进一步研究证实了这一假设。

这一基本研究结果也可能有一天会产生实际意义：在某一点上，我们可能能够利用新的量子态来开发高度敏感的量子传感器。

量子传感被认为是一种很有前途的未来技术。由于其量子特性使其对外界刺激极为敏感，因此量子传感器可以比传统传感器更精确地记录磁场或温度。

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