量子电动力学(QED)是控制带电粒子和光在真空中行为的基本量子理论。QED中相互作用的强度由精细结构常数α量化，它在我们的宇宙中既不可变又永恒(α=1/137)。精细结构常数在物理世界中具有深远的影响，它决定了稳定化学元素的数量，实现了长距离、基于光的通信等。

凝聚态物理学的最新见解之一是类似QED的理论描述了量子自旋冰的行为，量子自旋冰是一类细分磁体。这些系统中的原子自旋不是以简单的模式排列，而是以复杂的模式波动，直到可测量的最低温度。由此产生的相位特征是存在与自旋背景中的类光波相互作用的磁荷。

来自波士顿大学、麻省理工学院等的研究人员最近开展了一项合作研究，他们调查了出现在量子自旋冰QED中的精细结构常数。他们发表在《物理评论快报》上的论文表明，在量子自旋冰中，这个基本常数很大，这意味着这些磁系统可能是研究由强粒子相互作用引起的物理现象的理想选择。

研究人员Christopher R. Laumann和Siddhardh C. Morampudi表示：“我们正在考虑量子自旋冰中涌现QED的可能特征，并发现最独特的特征涉及涌现电荷和光子之间相互作用的影响。然后我们意识到，表征这种相互作用强度的基本无量纲数(出现的精细结构常数)在之前的任何工作中都没有确定，以前的工作只关注表征出现的光速。”

Laumann、Morampudi和他们的同事着手研究量子自旋冰的精细结构常数，因为他们相信这将提供更完整的QED表征。观察到相对较大的α值对他们来说是一个惊喜，因为这样的值会增强突发QED的交互介导特征。

他们说：“使用大规模精确对角化来获得电通量管的能量成本，我们能够提取电荷。然后，这使我们能够在可计算的有限尺寸系统中从晶格模型获得长波长突发QED。”

他们进行的数值模拟是第一个计算突发QED中精细结构常数的研究，特别是在量子自旋冰中实现的。该团队表明，在他们模拟的系统中，α常数通常比普通QED的精细结构常数大一个数量级。此外，他们还证明，在量子自旋冰中，常数可以从零一直调整到QED限制的最强耦合。

他们说：“通常QED的精细结构常数很小，而且是由大自然提供的固定不变的。拥有一个具有大且可调谐的精细结构常数的突发QED，为理解QED中的过程提供了一个很好的场所，这些过程由于小耦合而受到严重抑制。”

研究量子场论的主要理论工具之一是微扰理论。然而，在过去的几十年里，在微扰理论不是一个特别有用的结构情况下，许多研究人员开始探索在强耦合下场论会发生什么。

他们说：“这导致了各种各样的非微扰工具的产生，如果我们有一个在量子自旋冰中进行强耦合QED的实验场，就可以测试其有效性。我们的工作还将量子自旋冰确定为快速发展的量子模拟器的重要目标。”

近年来，越来越多的物理学家开始研究量子自旋冰候选物，尤其是稀土烧绿石。这些研究中确定的一些候选者可能会表现出额外的相互作用，导致系统变得有序，而不是保持在量子自旋液相中。Laumann、Morampudi和他们的同事计算出的大精细结构常数，意味着存在显着的相互介导效应，例如阈值附近的非弹性中子散射截面大幅增强。

他们说：“在某些材料中已经有一些关于正确物理学的诱人暗示，但到目前为止，无序和小能量尺度(例如限制中子散射的实验分辨率)一直是限制因素。在我们接下来的研究中，我们计划探索大型精细结构常数在量子自旋冰的潜在实现中的更多影响，并推动在近期的量子计算机中对它们进行模拟。”（编译:Qtech）