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量子材料開發的契機－研究成果獲刊「自然通訊（Nature Communications）」國際期刊
在自旋電子學中，一種可使電子自旋磁單極電流不耗散的可能型態
在八月七日出刊的英國科學雜誌「自然通訊」中，由張烈錚教授（國立成功大學物理系）主導、偕同另兩位台灣的研究者：高英哲教授（國立台灣大學物理系）、崔古鼎博士（國家同步輻射研究中心），及國際合作團隊：小野田繁樹博士（凝聚態理論實驗室，日本理化學研究所）、安井幸夫教授（名古屋大學及明治大學）、加倉井和久博士（日本原子力研究開発機構， 量子束應用研究部門）、蘇夷希博士（JCNS-FRM II中子科學中心，德國Forschungszentrum Jülich研究中心）、Martin Richard Lees 博士（Warwick University）發表了在一個被稱為「量子自旋冰」(quantum spin ice) 的材料Yb2Ti2O7中，觀察到的第一個實驗證據，描述了從一個由包含不穩定磁單極在其中移動的磁性庫侖液體態，到一個磁單極凝聚而成的鐵磁體的希格斯相變 (Higgs transition)。 通過冷卻Yb2Ti2O7 到0.21K (-272.94 C)，研究團隊觀察到一個從帶有不穩定磁單極的態，相變到由穩定的磁單極凝聚所組成的鐵磁態，即磁單極希格斯相變。這意味著這個特殊的鐵磁態可視為一個磁單極的超導狀態，將帶有無耗散的磁單極電流。這些結果發表在Nature Communications, 3, 992 (2012) on 7th August 2012. (DOI: 10.1038/ncomms1989)
磁單極可被視為磁性版本的帶電粒子，就像是電子和質子，它們只帶有一個磁極，北極或是南極。在一般的磁鐵中，磁矩以偶極子的形式，也就是南北兩極成對出現。在一類被稱為自旋冰(spin ice)的磁性材料中，在四面體上的四個電子自旋(spin)會排列成向四面體中心「二進二出」的組態，也就是符合了「冰組態的規則」。當其中一個自旋被翻轉，會產生激發的磁單極，而這些磁單極之間透過磁性的庫侖定律交互作用。當這些自旋因為量子力學的交互作用，而不再被限制在只能夠指進或出的時候，這個系統被稱作「量子自旋冰」。磁單極可以凝聚形成一個鐵磁態，而這個態可以視為磁單極通過一個希格斯機制(Higgs mechanism)所產生的超導態。
材料具零電阻率的超導性已被應用於工業上。透過相類似的機制，預期量子自旋冰中的鐵磁性可提供有效控制磁性元件的應用，而使自旋電子學達到磁單極電流於傳遞過程中無耗損的全新里程碑。雖然現今此希格斯相變溫度還很低，但若能提升量子自旋冰材料的希格斯相變溫度至室溫，如同超導科學家尋找室溫超導體一般，量子自旋冰中的應用將開創一項革命性的工業工程。
研究實驗工作在同步輻射中心執行的國科會中子實驗經費支持下，由成大張烈錚教授主導，並和德國擴散散射譜儀儀器科學家蘇夷希博士使用極化中子於德國慕尼黑FRM-II反應爐進行實驗。實驗觀察的結果可以用量子自旋冰的微觀理論來解釋，並確定希格斯相變溫度為0.21 K。圖一a為量子自旋冰的相圖；一b及一c分別為量子自旋冰Yb2Ti2O7和傳統自旋冰Ho2Ti2O7的實驗中子擴散散射圖。清楚的可以看出前者具有沿徑方向山脊結構的差異。理論解釋和數值模擬工作由日本理研小野田繁樹博士和台大高英哲教授所進行。實驗樣品由明治大學安井幸夫教授提供，並由同步輻射中心崔古鼎博士使用同步輻射x光，華威大學Martin Richard Lees博士使用低溫比熱來做樣品確認。
此一跨國研究成功地整合了實驗與理論上的結果。其中中子散射實驗扮演了決定性的角色，此更彰顯出中子散射技術對當代先進材料研究的重要性。尤其對於現今奈米與量子材料的開發與研究，中子散射技術更是具不可取代的地位。
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