四十年前，理论物理学家预测某些磁性材料可能会进入一种奇特的、电子会碎裂的状态。现在，研究人员在一个二维材料中观察到了这些分数电子，证明了所谓的量子自旋液体确实存在。
量子自旋液体是一种奇特的物质状态，在这种状态下，电子会分解成称为马约拉纳费米子的准粒子。在本周《自然·材料》杂志上发表的一篇论文中，科学家们研究了作为一种具有蜂窝结构的二维材料的α-氯化钌。他们使用了一种称为中子散射的技术：让大量中子撞击物体，然后观察它们形成的图案。
如果α-氯化钌处于典型状态，中子会产生清晰的线条图案。但理论上的量子自旋液体将产生不同的图案。事实上，在本篇论文的合著者之一于2014年预测，量子自旋液体将产生一系列宽曲线的图案。这与研究人员在实验中观察到的结果相符。
这一发现引发了一些令人困惑的问题。什么是量子自旋液体？它与液体液体有什么区别？如何将电子这样的基本粒子分裂成碎片？欢迎来到复杂的量子领域——让我们用问答的方式来分解这个问题。
什么是量子自旋液体？
物质可以以不同的状态存在——冰块、一杯水、水壶里冒出的蒸汽都是H2O的形式。但这只是我们在日常生活中最常看到的几种状态。在某些条件下，物质可以呈现出更奇特的形态和行为。
更奇特的几种状态之一被称为量子自旋液体。所有电子都有一个称为“自旋”的特性，它可以是“向上”或“向下”。在某些物质状态中，这些自旋会排列一致，指向同一方向。一般来说，随着材料的冷却，电子的自旋会越来越对齐。但在量子自旋液体中，根本不存在对齐，电子处于一种无序状态。
正是因为这种无序，它才被称为“液体”——固体中的分子排列有序，而液体中的分子则混乱地相互碰撞。但通常冷却液体会使其变成固体，而冷却量子自旋液体似乎并不能减少其电子的无序性。
这是因为自旋不仅指向截然不同的方向——它们还会相互作用。这导致电子的行为就像是电子的碎片。具体来说，它们的行为就像一种奇特的准粒子，称为马约拉纳费米子。
那么马约拉纳费米子又是什么？
通常，电子的反物质对应物是正电子，质子的反物质对应物是反质子。这意味着，当一个电子遇到一个正电子，或者一个质子遇到一个反质子时，这两种粒子都会湮灭。这些被称为反粒子。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出，可能存在一种粒子，它本身就是自己的反粒子——这就是马约拉纳费米子。一个马约拉纳费米子可以湮灭另一个马约拉纳费米子——它就是自己的“反双胞胎”。很酷，对吧？
马约拉纳费米子从何而来？
电子可以分解成马约拉纳费米子。
这说不通！电子是基本粒子——你不应该能够将它们分解成连贯的碎片。
没错。但在某些材料中，当电子自旋相互作用时，电子的表现就像它们已经分解成了更小的组成部分。因此，为了进行精确的数学预测，将电子碎片（也就是马约拉纳费米子）视为真实粒子很方便。但从技术上讲，它们只是理论上的构造，用于解释一个非常复杂的系统的行为。这就是它们被称为准粒子的原因。
等等，所以准粒子并不是真正存在的？
嗯，它们是一个有用的概念，我们可以用它来模拟复杂的系统。诚然，你永远无法用一把小镊子夹起一个马约拉纳费米子并说“啊哈，就是它了。”但假设马约拉纳费米子存在，可以让你准确地预测像这种量子自旋液体这样的系统的行为。只是……不要想得太复杂。
所以在这个实验中，科学家们是基于马约拉纳费米子存在的假设进行了预测？
正是如此。2014年，研究人员理论上预测了中子如何散射一个含有马约拉纳费米子的系统。当他们实际对量子自旋液体进行中子散射时，实验结果与预测相符。
我头都大了。能给个简短总结吗？
科学家们发现了物质状态——量子自旋液体——的实验证据，其中包含称为马约拉纳费米子的准粒子。这一发现证实了一个已有四十年历史的理论，并为研究人员提供了一个在寻找量子自旋液体状态物质时可以参考的目标材料。这可能有助于研究量子力学、超对称性和超导性的研究人员。哦，对了，马约拉纳费米子还可以用于构建量子计算机。
