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在今天的文章中，我将向您介绍一种称为自旋向列相的新型量子态。 这是一种自旋多极状态，它不会破坏时间反演对称性，但它会破坏空间的旋转对称性。 这种状态在经典液晶中也有类似的现象，但在量子系统中很难观察到。 我将向您展示一个实验证据，即在方形晶格辐射SR Iro中，存在自旋向列相的相变，这与反铁磁序有关，可能与高温超导有关。
首先，让我们回顾一下什么是旋转。 自旋是量子力学中的一个基本概念，用于描述粒子的固有角动量。 你可以把自旋想象成一根小磁针，可以指向不同的方向。 然而，自旋并不是一个经典的向量，它有一些奇怪的性质，比如它只能取一些离散值，不能同时在不同的方向上确定。
自旋向列相是一种自旋多极状态，它不是由自旋的磁矩决定的，而是由自旋的四极矩决定的。 您可以将自旋取向相视为自旋取向的液晶，其自旋方向优先，但没有确定的方向。 这意味着自旋向列相不会产生磁场，但它会对外部磁场做出反应。 自旋向列相也打破了空间的旋转对称性，因为它的自旋有一个特殊的轴，但它并没有打破时间反对称性，因为它的自旋没有固定的极性。
自旋向列相是一种非常罕见的量子态，因为它需要一些特殊条件才能出现。 首先，它需要强烈的自旋-轨道耦合，即自旋和轨道运动的相互作用，这导致自旋的量子数减少，从而增加自旋的量子涨落。 其次，它需要弱自旋-自旋相互作用，即自旋之间的交换，这导致自旋的长程阶数被抑制，从而增加了自旋的短程相关性。 最后，它需要低温来克服热力学的熵效应，从而最小化自旋向列相的自由能。
方形晶格辐射是一种具有特殊结构和性能的材料，它由一个扁平的方形晶格组成，每个晶格点上有一个IR原子，每个IR原子周围有四个O原子，形成一个方形平面。 这种结构导致红外原子的电子轨道发生强烈畸变，导致强烈的自旋-轨道耦合。 这种自旋轨道耦合有效地将IR原子的电子自旋减少了一半，即从3 2减少到1 2，这相当于一个伪自旋1 2系统。 这个赝自旋系统1 2可以用海森堡反铁磁性模型来描述，即每个赝自旋之间存在负交换，使它们趋于反平行。
在这个海森堡反铁磁模型中，如果交换很强，那么赝自旋就会形成一个反铁磁有序，即每个赝自旋都会指向一个确定的方向，相邻的赝自旋就会相反。 这种反铁磁阶打破了时间反转对称性，因为它产生了净磁矩。 然而，如果交换很弱，那么伪自旋就会形成一个自旋向列相，即每个伪自旋都指向一个首选方向，但没有确定的方向。 这种自旋向列相不会破坏时间反转对称性，但它确实破坏了空间的旋转对称性，因为它产生了净四极矩。
那么，如何通过实验区分反铁磁有序相和自旋向列相呢？ 一种方法是使用拉曼光谱，即用激光束照射材料，然后观察散射光的频率和强度。 拉曼光谱可以检测材料中的晶格振动和自旋激发，反映材料的对称性和相变。 另一种方法是使用共振 X 射线进行衍射，它用 X 射线束照射材料，然后观察衍射光的角度和强度。 共振X射线衍射可以探测材料中的电荷密度和自旋密度，以反映材料的晶格结构和磁序。
在发表在《自然》杂志上的一篇文章中，作者使用这两种方法来研究方形晶格辐射Sr Iro的自旋向列相的相变。 他们发现，在低于263 K的温度下，材料经历了自旋向列相的相变，这表现为拉曼光谱中出现峰值和共振X射线衍射中衍射点的出现。 这些结果表明，自旋柱相的对称性为c 4，即每个伪自旋沿正方形对角线指向，相邻的伪自旋相反。
自旋向列相的这种相变与反铁磁顺序有关，因为它们都是由相同的交换作用引起的，只是在不同温度下表现出不同的对称性。 在较低的温度下，约230K，材料经历反铁磁阶次的相变，表现为拉曼光谱中另一个峰的出现，以及谐振X射线衍射中另一个衍射点的出现。 这些结果表明，反铁磁阶数的对称性为c2，即每个赝自旋点沿正方形的边缘。
自旋向列相是一种非常有趣的量子态，具有许多潜在的物理含义。 首先，它是量子相变的一个新例子，展示了自旋-轨道耦合和自旋-自旋相互作用之间的竞争和协作，以及量子涨落和热力学熵之间的平衡。 其次，这是一个新的自旋多极态实例，表明自旋的高阶矩可以产生新的对称性和响应，以及自旋的多极态和单极态之间的跃迁。 最后，以一种新的超导相关态为例，展示了自旋向列相与反铁磁序列之间的相互作用，以及自旋向列相与电荷密度波之间的相互作用，这可能导致高温超导性的出现。