上海交大蒋庆东团队提出利用真空涨落诱导手性自旋液体

如何让固体“熔化”？日常经验给出的答案很简单——加热。加热会增强热涨落，使原本整齐排列的原子被“摇动”离开平衡位置，从而驱动固体向液体转变。然而，自然界还存在另一种更为精妙的涨落：量子涨落。即使在绝对零度，它们依然存在，并同样能够让固体失去刚性。一个典型例子是液态氦，它在绝对零度下仍保持液态，正是由于其量子涨落异常强烈。

在最近发表于 Physical Review Letters的一项研究中，来自上海交通大学李政道研究所的青年学者蒋庆东副教授团队提出了一种全新的方式来利用真空量子涨落。他们的研究表明，只需将 Kagome 晶格置入一种特殊设计的光学腔体之中，经过腔体修饰的真空涨落便能自发稳定一种罕见的拓扑量子液体——手性自旋液体。

探索手性自旋液体（CSL）

手性自旋液体（Chiral Spin Liquids，CSLs）是一类独特的物质形态，因其具备长程纠缠、拓扑序及分数量子激发等特性，数十年来始终吸引着凝聚态物理学家的目光。由于其在拓扑量子计算中的潜在应用，手性自旋液体被视为凝聚态物理长期追寻的重要目标。然而，尽管进行了大量理论与实验探索，手性自旋液体的存在性依然悬而未决。核心难题集中在两个基本问题上：

·如何在热平衡条件下，通过可控的外部调节机制稳定地产生手性自旋液体？

·如果这种有序相确实存在，又该如何在超越热霍尔效应这一微弱的信号之外，找到明确的证据？

解决方案：给量子材料加个“盒子”

在这项最新研究中，团队提出了一个出乎意料地简单而有效的方案：将材料置于一种特殊的“量子盒子”——旋光光学腔体中。这个腔体不仅仅是容纳材料的容器，它更从根本上改变了周围真空的性质。就像把一个共振物体放入盒子里会改变其振动方式一样，腔体的边界会重新塑造充斥在空间中的真空量子涨落（虚光子）。

研究人员展示，只需将 Kagome 晶格限制在这一光学腔体中，经腔体修饰的真空涨落便会自发与电子自旋发生耦合，从而稳定难以探测的手性自旋液体。这一方法将实现奇异量子相的难题，转化为几何结构的设计问题。更重要的是，它依赖的是腔体内部真空的内禀性质，而非需要持续施加、容易引入额外加热的外部驱动，从而更有利于保持体系的量子有序。

一种“非侵入式”的方式看见量子相

不仅如此，该研究还提出了另一个关键难题的解决方案：如何在不破坏体系的前提下探测手性自旋液体。研究团队发现，腔体内部的光场动力学本身就是一种非侵入式探测手段。他们的研究表明，实验可观测的物理量 —— 例如平均光子数、以及与该系统耦合的波导的输运特性 —— 能够揭示手性自旋液体的存在。由此，电子体系中隐蔽的量子有序与可测量的光学行为之间建立起了直接联系。

研究意义

本工作为基于微腔真空的量子材料调控开辟了新的方向，指出只需改变材料周围的电磁环境，就能“调节”真空本身，从而设计所需的拓扑量子相。这一发现为未来在超冷原子晶格以及阻错磁性材料（如 Herbertsmithite）中的实验提供了全新的理论方案。

本研究的主要推动力量来自第一作者魏晨岸博士（麻省大学阿默斯特分校 /A. Alikhanyan 国家科学实验室）。杨柳博士（李政道研究所博士后）作为第二作者，为研究的推进也作出了十分重要的贡献。蒋庆东教授担任通讯作者，设计了该项研究的整体思路和研究方向。

致谢

本研究得到以下项目的支持：科技创新2030计划（编号 2021ZD0301900）、国家自然科学基金（编号 12374332）、上海市量子科学研究中心培育项目（编号 LZPY2024），以及上海市科技创新行动计划（编号 24LZ1400800）。魏晨岸博士同时部分获得亚美尼亚共和国科学教育委员会（MESCS RA）高教与科学委员会（科研项目编号 25PostDoc1C003）的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/8qx2-xxh2

作者： 李政道研究所 供稿单位： 李政道研究所