2026年5月21日——当所有基本粒子似乎都严格遵循有序的物理定律时，为什么我们的宇宙却充满了无序？在无序和看似混沌的背后，是否存在组织原则？

研究这些基本问题的一条途径是通过自旋的集合：自旋是一种量子属性，使电子表现得像微小的条形磁铁，具有向上或向下的优先取向。相邻的自旋要么平行排列（向上-向上），要么反平行排列（向上-向下-向上-向下），分别类似于铁磁体和反铁磁体。这一简单的规则集使得自旋系统在研究有序的涌现方面极具吸引力。

然而，尽管自旋理论已经成熟，但创造能够观察自旋无序的材料条件却异常难以实现。虽然物理学家已经能够制造出表现出自旋无序的奇特材料，但由于缺乏清晰的起点，追踪材料内部从有序到无序的演化过程一直面临挑战。

在今日发表于《Matter》杂志的一项新研究中，冲绳科学技术大学院大学（OIST）电子与量子磁性研究组的研究人员成功监测了一个高度有序的反铁磁晶体在逐渐引入化学无序时自旋组织的演化过程。该团队不仅为研究奇特磁性树立了更高标准，还为所谓的自旋玻璃提供了实验验证的定义，而此前这一概念代表了理论物理学与材料科学之间基础性的脱节。

“五十多年来，物理学家研究自旋无序就像盲人摸象一样，”资深作者冯野军教授表示，“我们从小养大这头大象，并追踪了它的生命历程。这花了我们七年的时间，但我们相信，我们的方法将为未来经典与量子物理学领域的发现铺平道路。”

受挫磁性、化学无序与冻结自旋

在磁体中，有序描述了自旋在空间上相关的程度。长程有序，即普通铁磁体和反铁磁体的特征，表现为自旋相互作用在整个材料中的排列。长程有序的缺失并不意味着完全随机；短程有序可以在局部相关性存在但尚未扩展至更大尺度时持续存在。研究表明，还存在其他迷人的磁性状态，包括经典和量子自旋液体。这些奇特材料长期以来一直被研究，以加深我们对宇宙的理解。

无序状态可能源于化学杂质或磁受挫，后者指的是铁磁与反铁磁相互作用竞争且无法同时满足的情况。在量子自旋液体中，这种受挫使得自旋即使在接近零温下也保持持续波动，维持着相干波动的短程有序，而不会冻结成一种特定构型。这一特性使它们成为量子计算应用的潜在候选者，信息以量子态存储直至被提取。

传统上，自旋玻璃被概念化为一种相关但同时也受挫的相：在低于某个临界温度时，自旋锁入一种无序状态，实质上冻结了经典自旋液体的波动混沌。这使得它们在更一般的研究自旋无序排列方面特别引人关注。

自旋玻璃源于独立自旋

尽管自旋玻璃的理论本质已得到充分确立，其背后的数学方法也推动了从蛋白质折叠到神经网络等多个学科的发展，但由于其实体、结构、材料属性以及自旋无序程度的疑问，其实验实现仍然模糊不清。

为了澄清问题，团队选择了锌铁氧体。这种材料虽已广泛研究，但一直既被描述为自旋液体，又被视为自旋玻璃。经过多年的精炼，团队生长出了一种前所罕见的低无序程度纯净锌铁氧体晶体——但这仅是探索的起点。

“锌铁氧体过去呈现了许多矛盾。它显示出在自旋液体和玻璃中都能看到的奇特磁性特征，即短程有序的特征。但在纯化后，它表现得像一个具有长程有序的简单反铁磁体，”玛格丽塔·德罗诺娃博士回忆道，她在OIST为期五年的博士项目最终促成了这项研究，“换句话说，自旋组织似乎随着化学纯度的变化而改变。这向我们表明，我们可以控制自旋组织的程度。”

在接下来的几年里，团队小心地向晶体中掺入越来越多的镓离子，这是一种仅在铁位点引入的化学无序形式。通过测量中子磁漫散射、磁化率和热容，捕捉到了由此产生的自旋组织。通过对比不同杂质水平下的交叉参照测量结果，研究人员得以描绘出自旋无序的演化过程——并因此从实验角度澄清了自旋玻璃的定义。冯教授继续说道：

“以反铁磁态为参照，我们可以监测随着晶体掺杂，长程有序如何与短程有序竞争。但我们也能看到，与先前的定义相反，自旋玻璃行为独立于短程有序出现。在相关自旋团簇形成之前，自旋玻璃源于单个的、不相关的自旋。”

这一重新分类为解释自旋玻璃的实证研究提供了必要的背景。更广泛地说，该方法为量子自旋液体提供了更为稳健的研究途径。“要真正理解物质的奇特相，我们需要对基准有深刻的认识，”德罗诺娃总结道，“通过这项研究，我们在一种广泛研究的材料上建立了坚实的基础，这使得我们能够自信地更新自旋玻璃的定义。我希望这有助于弥合理论与实验之间的差距，并指导未来对其他迷人材料的研究。”