香港大学（港大）物理学系博士后研究员周成康博士和孟子杨教授与中国科学院物理研究所（中科院）的博士研究生曾振源和李世亮研究员，以及日本大强度质子加速器研究中心（J-PARC）的中岛健次（Kenji NAKAJIMA）教授合作的一项研究，在量子物理领域取得重大发现。研究团队成功捕捉到备受关注的准粒子- 自旋子（Spinon）的谱学信号。他们的研究成果已于《自然物理学》（ Nature Physics ）期刊上发表。

自旋子准粒子因其行为类似于著名Dirac 粒子，遵循相对论性Dirac 方程，因而被称为Dirac 自旋子。根据相关理论预言，这种准粒子可以在一种被称为量子自旋液体态的新型量子态中被观测到。 团队通过实验发现，Dirac 自旋子表现出与高能物理中的Dirac 粒子和石墨烯和量子莫尔材料中的Dirac 电子高度相似的行为，例如能量和动量之间的线性色散关系。以往要观测这种自旋为1/2的电中性准粒子，一直是研究领域内的极大挑战性，而在这项研究之前，尚未有在量子磁性材料激发谱中明确捕捉到Dirac自旋子的先例。

“在量子磁体中发现Dirac 自旋子是几代凝聚态物理学家的梦想，现在我们在量子磁性材料中看到了它们存在的迹象，人们可以开始思考这种高度纠缠的量子材料的无数潜在应用前景。也许终有一天，人们将用它构建量子计算机，就像过去半个世纪以矽为基础的电脑一样。”论文的通信作者之一孟子杨教授说。

研究中的自旋子准粒子是量子磁性材料内部自旋的集体行为所导致的激发。作为凝聚态物理研究的焦点之一，这类激发经常被处理为一系列的粒子。团队的研究重点是一种名为YCu3-Br的独特材料。这是一种具有笼目状晶格（Kagome Lattice）结构的磁性材料。该材料的笼目状晶格结构和阻挫量子磁性相互作用导致了Dirac自旋子的产生。先前的研究揭示了该材料在低温条件下可能处于量子自旋液体态，使其成为研究Dirac自旋子的理想实验材料。为了使YCu3-Br成为观测自旋子的样品，研究团队克服了重重困难，将大约5000块单晶拼合在一起，以满足进行非弹性中子散射等实验的条件(如图1d所示)。通过使用非弹性中子散射等先进技术，该团队探测了该材料的自旋激发谱，并观察到了圆锥形自旋连续谱图像。这样的圆锥型连续谱很可能是由Dirac 自旋子导致的。然而，由于此实验存在限制，直接探测单个自旋子是极为困难的。为了进一步确认圆锥型连续谱的来源，该团队将他们的发现与理论预测进行了比较，从而确认了圆锥型连续谱是Dirac自旋子导致的独特谱学信号。

寻找激发谱中Dirac自旋子信号一直是富有挑战性的课题。本研究发现提供了令人信服的关于Dirac量子自旋液体态存在的证据，不仅推进了我们对凝聚态物理和高能物理基本理论的理解，还打开了进一步探索YCu3-Br的性质和应用的大门。它可以被比作在此研究领域中的一声呼喊，划破了寻找量子自旋液体态激发谱信号中的重重迷雾。

量子自旋液体态存在着分数化的自旋激发，可能与高温超导和量子信息相关。在这种态下，自旋高度纠缠，即使在低温下仍保持无序。因此，研究遵循Dirac方程的自旋子产生的激发谱信号将提供更广泛的对量子自旋液体态的理解。这种理解也将为更广泛的应用前景提供了指引，包括对高温超导和量子信息的探索。