（a） 狄拉克自旋子的锥形激发和两个自旋子形成的锥形连续谱示意图。（b） YCu中锥形自旋激发示意图3（俄亥俄州）6溴2[Br0.33（外径）0.67].（c） 半最大半宽与能量之间的关系。实线表示线性拟合。（d） 一些共对齐晶体的放大图像，以及两个铜板上共对齐样品的正面视图。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02495-z

最近一期《自然物理学》（Nature Physics）杂志上发表的一项新研究揭示了人们期待已久的准粒子的出现，类似于著名的狄拉克粒子，遵循相对论狄拉克方程。这些被称为狄拉克自旋子的准粒子被理论化为存在于一种称为量子自旋液态的新型量子态中。

这一发现是香港大学物理系理论物理学家Chengkang 周博士和Zi Yang Meng教授，以及中国科学院（CAS）物理研究所（IOP）的实验家Zhenyuan Zeng和Shiliang Li教授以及J-PARC中心的Kenji Nakajima教授合作的结果。 日本。

准粒子是有趣的实体，它们来自材料中的集体行为，可以被视为一组粒子。具体而言，狄拉克旋子有望表现出类似于高能物理学中的狄拉克粒子以及石墨烯和量子摩尔材料中的狄拉克电子的独特特性，例如能量和动量之间的线性色散关系。但是在这项工作之前，这种自旋-1/2电荷中性准粒子在量子磁体中还没有出现过。

“在量子磁体中发现狄拉克自旋子一直是几代凝聚态物理学家的梦想;现在我们已经看到了它们的证据，人们可以开始思考这种高度纠缠的量子材料的无数潜在应用。

“谁知道呢，也许有一天人们会用它来建造量子计算机，就像过去半个世纪里人们用硅所做的那样，”港大物理学家、该论文的通讯作者之一孟教授说。

该团队的调查集中在一种名为YCu的独特材料上3-Br，其特征在于戈薇晶格结构导致这些难以捉摸的准粒子的出现。

先前的研究已经暗示了该材料表现出量子自旋液态的潜力，使其成为探索的理想候选者。为了能够在 YCu 中观察自旋子3，研究团队克服了众多挑战，将大约5,000个单晶组装在一起，满足了进行非弹性中子散射等实验的要求。

利用这种先进的技术，研究小组探测了材料的自旋激发，并观察到了有趣的锥形自旋连续体模式，让人想起典型的狄拉克锥体。虽然由于实验限制，直接检测单个自旋子被证明是具有挑战性的，但该团队将他们的发现与理论预测进行了比较，揭示了表明材料中存在自旋子的独特光谱特征。

寻找狄拉克自旋子激发的光谱证据一直是一个挑战。这一发现为狄拉克量子自旋液态的存在提供了令人信服的证据，这类似于一声清晰的呐喊，打破了量子自旋液态光谱研究的迷雾。

这些发现不仅促进了我们对凝聚态物理的基本理解，而且为进一步探索YCu的性质和应用打开了大门.

量子自旋液态以分数旋子激发的存在为特征，可能与高温超导和量子信息有关。在这种状态下，自旋高度纠缠，即使在低温下也保持无序。

因此，研究由服从狄拉克方程的自旋子产生的光谱信号将提供对物质的量子自旋液态的更广泛理解。这种理解也作为其更广泛应用的指南，包括探索高温超导性和量子信息。

更多信息：Zhenyuan Zeng et al， Spectral evidence for Dirac spinons in a kagome lattice antiferromagnet， Nature Physics （2024）.DOI： 10.1038/s41567-024-02495-z

期刊信息： Nature Physics