艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三子。资料来源:何塞·拉多/阿尔托大学

  三重子是很棘手的小东西。实验上，它们很难被观察到。即便如此，研究人员通常也会对宏观材料来测试，在这种测试中，测量结果被表示为整个样本的平均值。

  这就是设计量子材料提供独特优势的地方，学院研究员罗伯特·德罗斯特说，他是发表在《物理评论快报》上的一篇论文的第一作者。这些设计的量子材料让研究人员创造了在天然化合物中找不到的现象，最终实现了奇异的量子激发。

  “这些材料很复杂。它们提供了非常令人兴奋的物理学，但最奇特的物理学也很难发现和研究。因此，我们正在尝试一种不同的方法，即使用单个组件构建人工材料，”阿尔托大学原子尺度物理研究小组负责人彼得·利杰罗斯教授说。

  量子材料在微观层面上受电子之间相互作用的支配。这些电子相关导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂的磁态，量子相关产生了新的电子态。

  在两个电子的情况下，有两个纠缠态，称为单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发能够最终靠称为三子的纠缠波在材料中传播。这些激发在传统的磁性材料中不存在，在量子材料中测量它们仍然是一个公开的挑战。

  在这项新研究中，研究小组使用小有机分子制造了一种具有不同寻常磁性的人工量子材料。实验中使用的每个钴酞菁分子都包含两个前沿电子。

  “使用格外的简单的分子构建块，我们也可以以前所未有的方式设计和探测这个复杂的量子磁体，揭示在其独立部分未发现的现象，”Drost说。“虽然用扫描隧道光谱学长期以来一直观察到孤立原子中的磁激发，但它从未在传播三子上完成。”

  “我们用这些分子把电子捆绑在一起，我们把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，”Drost继续说。“从外部观察这样一个分子，我们将看到两个电子的联合物理。因我们的基本组成部分现在包含两个电子，而不是一个，我们正真看到了一种非常不同的物理。”

  研究小组首先在单个钴酞菁分子中监测磁激发，然后在分子链和分子岛等更大的结构中监测磁激发。研究人员希望能够通过从格外的简单的开始，逐渐增加复杂性，来理解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，他们的构建单元的单重态-三重态激发可当作称为三介子的外来磁性准粒子穿过分子网络。

  “我们展示了我们大家可以在人造材料中创造一种奇异的量子磁激发。这一策略表明，我们大家可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性，”阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人、该研究的合著者之一何塞·拉多助理教授说。

  该团队计划将他们的方法扩展到更复杂的构建模块，以设计量子材料中的其他奇异磁激发和有序。从简单的成分中做到合理的设计不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，而且为设计量子材料建立了新的平台。

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