固体由基本被锁定在有序结构中的原子构成。而液体则由原子构成，这些原子可以自由地相互流动。但想象一下，原子不凝固，就像液体中的原子一样——但却处于一个不断变化的磁性混乱状态。
那么，你就得到了一种前所未见的物质状态，一种被称为量子自旋液体的量子奇异状态。现在，通过仔细操纵原子，研究人员已经在实验室中成功地创造了这种状态。研究人员于12月2日在《科学》杂志上发表了他们的工作。
科学家们多年来一直在讨论自旋液体的理论。“但当我们这里的哈佛大学的这些理论家最终找到一种实际产生量子自旋液体的方法时，我们才真正对此产生了浓厚的兴趣，”哈佛大学物理学家兼博士后、该研究项目协调人兼论文作者之一的Giulia Semeghini说道。
在地球上通常找不到的极端条件下，量子力学的规则可以将原子扭曲成各种奇特的形态。例如，简并态物质存在于白矮星或中子星等死亡恒星的核心，那里的极端压力将原子“烹饪”成亚原子粒子浆。又如，玻色-爱因斯坦凝聚，在极低的温度下，多个原子会融合成一个整体（其创造获得了2001年诺贝尔物理学奖）。
量子自旋液体是这个神秘状态的最新成员。它的原子不会凝固成任何有序状态，而且它们一直在流动。
名称中的“自旋”指的是每种粒子固有的一个属性——向上或向下——它会产生磁场。在普通磁铁中，所有自旋都按精密的顺序指向向上或向下。而在量子自旋液体中，则存在第三种自旋。这会阻止相干磁场的形成。
这与量子力学的深奥规则相结合，意味着自旋会同时处于不同的位置。如果你只观察几个粒子，很难判断你是否拥有量子液体，或者即使拥有，它有什么样的特性。
量子自旋液体最初是由物理学家Philip W. Anderson于1973年提出的理论，物理学家们一直试图获得这种物质。“许多不同的实验……试图创造和观察这种状态。但事实证明这非常具有挑战性，”哈佛大学物理学家、论文作者之一的Mikhail Lukin说。
哈佛大学的研究人员拥有了一个新工具：他们称之为“可编程量子模拟器”。本质上，它是一种允许他们操纵单个原子的机器。利用精确聚焦的激光束，研究人员可以像白板上的磁铁一样，在二维网格上移动原子。
“我们可以独立控制每个原子的位置，”Semeghini说。“我们可以将它们独立地放置在任何我们想要的形状或形式中。”
此外，为了确定他们是否成功创造了量子自旋液体，研究人员利用了一种叫做量子纠缠的现象。他们给原子充能，原子开始相互作用：一个原子的属性变化会反映在另一个原子上。通过观察这些联系，科学家们找到了他们所需的确认。
这一切似乎是为了抽象而创造抽象物质——但这正是其吸引力的一部分。“我们可以触摸它，戳它，玩弄它，甚至在某些方面与这种状态对话，操纵它，让它做我们想让它做的事情，”Lukin说。“这才是真正令人兴奋的地方。”
但科学家们确实认为量子自旋液体也有其有价值的应用。只需深入量子计算机的领域。
量子计算机有可能远远超越传统的计算机。与今天的计算机相比，量子计算机可以创建更好的系统模拟，例如分子，并且能更快地完成某些计算。
但科学家们用作量子计算机构建块的东西可能还有待改进。这些被称为量子比特的构建块，通常是单个粒子或原子核——它们对最轻微的噪音或温度波动都很敏感。而信息存储在排列方式中的量子自旋液体，可能是不那么挑剔的量子比特。
Semeghini说，如果研究人员能够证明量子自旋液体可以被用作量子比特，那么它可能带来一种全新的量子计算机。
