量子计算机需要的材料,开发量子计算机基础材料的关键

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量子计算机需要的材料,开发量子计算机基础材料的关键

一个国际研究小组观察到铜氧化物中的状态，其中轨道自由度在低温下不会冻结，并且电子由于量子波动而波动。该小组还首次澄清了强磁场中多频电子自旋共振(ESR)实验中这些量子涨落的时间尺度。

电子具有三个自由度：自旋，轨道和电荷。在凝聚态物理中，研究由多个原子和离子(如晶体和玻璃)形成的聚集体，实现了一种“量子自旋液体”状态，其中自旋自由度即使在非常低的温度下也不会冻结成为该领域的目标之一。

在钙钛矿型氧化铜中，金属氧化物的典型晶体结构，建议实现量子自旋轨道液态的可能性(图1)，其中自旋自由度和轨道自由度即使在非常低的温度下也不会冻结。使用高质量样本进行联合研究，其中涉及该小组，阐明了Jahn-Teller变形，这表明轨道自由度冻结，并不是在低温下发生的。然而，没有直接证据表明量子自旋轨道液态，例如观察旋转中的轨道量子动力学。

Masayuki Hagiwara，大阪大学教授，Takehito Nakano，助理教授和大阪大学教授Yasuo Nozoe与东京大学教授Satoru Nakatsuji和Hauzhong中国科技大学副教授Yibo Han合作在大阪大学的强磁场设备中使用具有宽频率范围的电子自旋共振(ESR)装置的钙钛矿型氧化铜(6H-Ba3CuSb2O9)的质量单晶。结果，在低频时，轨道自由度在极低温度下没有冻结，但是在高频率下，观察到这些轨道自由度冻结。

这些结果澄清了轨道量子涨落的时间尺度在20 K以下约100 ps。这一成就阐明了新的量子液态“量子自旋轨道液体”的动力学，这是通过使用强磁力获得的。这是第一次。量子自旋轨道液态的实现与超导性和氦的超流性相当。

这些研究成果将有可能为实现量子自旋轨道液态设计新材料，并将对量子计算机量子信息控制基础所需材料的开发产生影响。