為了在量子水平上理解材料的奇異特性，研究人員探索了新興準粒子的領(lǐng)域。這些不是基本粒子，而是由材料中電子之間復雜的相互作用產(chǎn)生的集體激發(fā)。

在這些準粒子中，狄拉克自旋子有著特殊的地位，因為它們與同名的狄拉克費米子相似，而狄拉克費米子控制著高能物理中基本粒子的行為。最近的一項突破提供了令人信服的光譜證據(jù)，證明在kagome晶格反鐵磁體中存在狄拉克自旋子，揭示了人們期待已久的量子態(tài)。

kagome晶格和反鐵磁性

這一發(fā)現(xiàn)是在一種具有特定原子排列的材料，稱為kagome晶格。想象一下蜂窩晶格，這是我們熟悉的石墨烯結(jié)構(gòu)，但有額外的角共享三角形。這種獨特的幾何形狀導致了受挫，其中電子自旋（代表磁性）不能同時對齊在最小能量配置中。這種受挫是新型量子狀態(tài)出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

這種材料也是一種反鐵磁體，這意味著相鄰的電子自旋傾向于反排列，使它們的總磁能最小化。在kagome晶格反鐵磁體中，受挫和反鐵磁有序之間的相互作用導致量子自旋液體(QSL)狀態(tài)的可能性。

狄拉克自旋子

在QSL中，電子自旋不是嚴格有序的，而是以復雜的量子方式波動。然而，在某些條件下，這些集體自旋波動可以表現(xiàn)得像獨立的準粒子——狄拉克自旋子。

這些自旋子與它們的高能表親狄拉克費米子有著驚人的相似之處。和相對論中的自旋子一樣，狄拉克自旋子被預測為線性色散關(guān)系，這意味著它們的能量與動量呈線性關(guān)系。這與傳統(tǒng)電子的拋物線色散形成鮮明對比。

揭示光譜指紋

盡管有理論預測，但在實際材料中觀察狄拉克自旋的獨特特征被證明是具有挑戰(zhàn)性的。傳統(tǒng)技術(shù)往往難以從復雜的材料背景中分離出這些準粒子的特定性質(zhì)。這就是近期研究的意義所在，研究人員采用了一種稱為角分辨光發(fā)射光譜(ARPES)的復雜技術(shù)來探測kagome晶格反鐵磁體內(nèi)電子激發(fā)的能量和動量分布。

ARPES測量揭示了清晰的V形光譜特征，這是狄拉克自旋子色散的標志。這種V形直接轉(zhuǎn)換為理論上預測的狄拉克自旋子的線性能量-動量關(guān)系。此外，從光譜數(shù)據(jù)中提取的這些激發(fā)的速度與狄拉克自旋液體狀態(tài)的理論計算非常吻合。

影響和未來方向

Kagome晶格反鐵磁體中狄拉克自旋子的光譜證據(jù)對我們理解量子自旋液體和涌現(xiàn)現(xiàn)象具有重要意義。它為理論模型提供了有力的驗證，并為進一步探索其他受挫材料中的狄拉克激發(fā)鋪平了道路。

在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，未來充滿了令人興奮的可能性。研究人員的目標是探索狄拉克自旋在磁場或壓力等外部場下的行為。了解這些場如何操縱自旋子可以揭示潛在的應用，例如自旋電子學或量子信息處理的新形式。(www.ws46.coM)