在今天的文章中，我將向你介紹一種新奇的量子態(tài)，叫做自旋向列相。這是一種自旋的多極態(tài)，它不破壞時間反演對稱性，但破壞了空間的旋轉(zhuǎn)對稱性。這種態(tài)在經(jīng)典液晶中有類似的現(xiàn)象，但在量子系統(tǒng)中很難觀察到。我將向你展示一種實驗上的證據(jù)，表明在方晶格輻射 Sr?IrO?中，存在一個自旋向列相的相變，它與反鐵磁序有關(guān)，而且有可能與高溫超導(dǎo)有聯(lián)系。

什么是自旋向列相

首先，讓我們回顧一下什么是自旋。自旋是量子力學(xué)中的一個基本概念，它描述了一個粒子的內(nèi)在角動量。你可以把自旋想象成一個小磁針，它可以指向不同的方向。但是，自旋不是一個經(jīng)典的矢量，它有一些奇怪的性質(zhì)，比如它只能取一些離散的值，而且它不能同時沿著不同的方向確定。

自旋向列相是一種自旋的多極態(tài)，它不是由自旋的磁矩決定的，而是由自旋的四極矩決定的。你可以把自旋向列相想象成一種自旋的液晶，它的自旋有一個優(yōu)先的方向，但是沒有一個確定的取向。這就意味著，自旋向列相不會產(chǎn)生磁場，但是會對外界的磁場有一個響應(yīng)。自旋向列相也會破壞空間的旋轉(zhuǎn)對稱性，因為它的自旋有一個特殊的軸，但是不會破壞時間反演對稱性，因為它的自旋沒有一個固定的極性。

自旋向列相是一種非常稀有的量子態(tài)，因為它需要一些特殊的條件才能出現(xiàn)。首先，它需要一個強的自旋-軌道耦合，即自旋和軌道運動的相互作用，這會導(dǎo)致自旋的量子數(shù)減小，從而增加自旋的量子漲落。其次，它需要一個弱的自旋-自旋相互作用，即自旋之間的交換作用，這會導(dǎo)致自旋的長程有序被抑制，從而增加自旋的短程關(guān)聯(lián)。最后，它需要一個低的溫度，以克服熱力學(xué)的熵效應(yīng)，從而使自旋向列相的自由能最小化。

在方晶格輻射中觀察自旋向列相

方晶格輻射是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料，它由一個平面的方形晶格組成，每個晶格點上有一個Ir原子，每個Ir原子周圍有四個O原子，形成一個正方形的平面。這種結(jié)構(gòu)使得Ir原子的電子軌道發(fā)生了強烈的畸變，從而導(dǎo)致了強的自旋-軌道耦合。這種自旋-軌道耦合使得 Ir 原子的電子自旋被有效地降低到了一半，即從 3/2 降到了 1/2，這就相當(dāng)于一個偽自旋 1/2 的系統(tǒng)。這個偽自旋 1/2 的系統(tǒng)可以用一個海森堡反鐵磁模型來描述，即每個偽自旋之間有一個負的交換作用，使得它們傾向于反平行排列。

在這個海森堡反鐵磁模型中，如果交換作用很強，那么偽自旋就會形成一個反鐵磁序，即每個偽自旋都會指向一個確定的方向，而且相鄰的偽自旋會相反。這種反鐵磁序會破壞時間反演對稱性，因為它會產(chǎn)生一個凈的磁矩。但是，如果交換作用很弱，那么偽自旋就會形成一個自旋向列相，即每個偽自旋都會指向一個優(yōu)先的方向，但是沒有一個確定的取向。這種自旋向列相不會破壞時間反演對稱性，但是會破壞空間的旋轉(zhuǎn)對稱性，因為它會產(chǎn)生一個凈的四極矩。

那么，如何在實驗上區(qū)分反鐵磁序和自旋向列相呢？一種方法是用拉曼光譜，即用一束激光照射材料，然后觀察散射的光的頻率和強度。拉曼光譜可以探測材料中的晶格振動和自旋激發(fā)，從而反映材料的對稱性和相變。另一種方法是用共振 X 射線衍射，即用一束 X 射線照射材料，然后觀察衍射的光的角度和強度。共振 X 射線衍射可以探測材料中的電荷密度和自旋密度，從而反映材料的晶格結(jié)構(gòu)和磁性序。

實驗結(jié)果

發(fā)表在《自然》的一篇論文中，作者使用了這兩種方法，來研究方晶格輻射Sr?IrO?的自旋向列相的相變。他們發(fā)現(xiàn)，在低于263K的溫度下，材料發(fā)生了一個自旋向列相的相變，這表現(xiàn)為拉曼光譜中的一個峰的出現(xiàn)，以及共振 X 射線衍射中的一個衍射點的出現(xiàn)。這些結(jié)果表明，自旋向列相的對稱性是 C_4 的，即每個偽自旋沿著一個正方形的對角線指向，而且相鄰的偽自旋相反。

這種自旋向列相的相變與反鐵磁序有關(guān)，因為它們都是由同一個交換作用引起的，只是在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的對稱性。在更低的溫度下，約 230K，材料發(fā)生了一個反鐵磁序的相變，這表現(xiàn)為拉曼光譜中的另一個峰的出現(xiàn)，以及共振 X 射線衍射中的另一個衍射點的出現(xiàn)。這些結(jié)果表明，反鐵磁序的對稱性是 C_2的，即每個偽自旋沿著一個正方形的邊指向。

自旋向列相是一種非常有趣的量子態(tài)，它有很多潛在的物理學(xué)意義。首先，它是一種新的量子相變的例子，它展示了自旋-軌道耦合和自旋-自旋相互作用之間的競爭和協(xié)作，以及量子漲落和熱力學(xué)熵之間的平衡。其次，它是一種新的自旋多極態(tài)的例子，它展示了自旋的高階矩可以產(chǎn)生新的對稱性和響應(yīng)，以及自旋的多極態(tài)和單極態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。最后，它是一種新的超導(dǎo)相關(guān)態(tài)的例子，它展示了自旋向列相和反鐵磁序之間的相互作用，以及自旋向列相和電荷密度波之間的相互作用，可能會導(dǎo)致高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)。