我在阿塔卡马沙漠的一座废弃矿中发现了超纯量子晶体

# 来自阿塔卡马沙漠废弃矿山的超纯量子晶体 来源：https://medium.com/@breid.at/ultra-pure-quantum-crystals-from-an-abandoned-mine-in-a-mysterious-desert-93cc87d12314 Aaron Breidenbach (https://medium.com/@breid.at?source=post_page---byline--93cc87d12314---------------------------------------) ## 关于天然Herbertsmithite晶体的巨大潜力与生态悲剧的两部分文章 ## 引言 大家好，我是Aaron Breidenbach博士。对于那些一直关注我研究历程的人来说，我在斯坦福大学的博士期间生长了Zn-Barlowite和Herbertsmithite晶体。这些晶体是一种被称为“量子自旋液体”（QSL）的新型物质状态的候选材料。我刚刚与Young Lee实验室（https://leegroup.stanford.edu/）在《自然·物理》杂志上发表了一篇论文（免费版本见：https://arxiv.org/abs/2504.06491），提供了迄今为止最强有力的证据，证明这种神秘的磁性状态存在于这些晶体中。由于这些特性，Zn-Barlowite及其姐妹QSL候选材料Herbertsmithite在未来大规模量子计算机中具有巨大潜力（https://www6.slac.stanford.edu/news/2025-11-14-these-colorful-crystals-may-hold-clues-future-quantum-computers）。考虑到LLM目前在硅基芯片上的成就，不难想象如果有一天我们能将这些晶体有效地应用于量子计算机，它们将如何改变社会。 更让我惊叹的是，这些晶体在自然界中也能生长。我要强调，这绝对是一个反常现象。据我所知，这是唯一一种具有体量子性质的天然晶体（除了其姐妹材料如Atacamite）。量子物理很难，我和所有凝聚态物理领域的同事们都花费大量时间，故意混合非常特定比例的奇特元素来制造合成量子晶体，如超导体。这是常态。然而，这些晶体——其中最为神秘的一类——却能在自然界中自然生长，它们可能已经在地壳中存在了数百万年甚至更久，远在猿类作为一个物种出现之前。 带着这种神秘感作为动力，我最近踏上了前往智利阿塔卡马沙漠的冒险之旅，去寻找这些晶体的自然栖息地。我所发现的一切，从多个角度都令我震惊。这是一篇分为两部分的文章。在第一部分，我将重点讨论天然晶体在推动量子物理学知识进步方面的巨大潜力。然后，在第二部分（https://medium.com/@breid.at/why-the-silicon-of-quantum-computing-is-being-destroyed-en-masse-in-the-atacama-desert-41d3a9b823bf）中，我将重点讲述这些晶体如何在阿塔卡马沙漠大规模生态破坏性的采矿活动中被悲惨地摧毁。 （与本项目相关的其他内容，包括访谈、视频和已发表的论文，请访问我的网站：thequantumarcheologist.org (https://thequantumarcheologist.org/)） ## 发现与前景 按回车键或点击查看全尺寸图片 一张照片，展示了我从阿塔卡马沙漠一座废弃矿山的一块巨石中发现的所有Herbertsmithite晶体。虽然我尚未分离这些晶体，但我估计，仅这一项发现所获得的Herbertsmithite晶体质量，至少是我在斯坦福大学作为研究生六年期间所生长晶体的两倍。按回车键或点击查看全尺寸图片 一块较高质量Herbertsmithite晶体结构的特写图像。在我的智利之行中，我成功找到了传说中的天然Herbertsmithite晶体。这一发现是与智利大学的人类学家Vicente Carrasola Vega合作完成的。他在野外发现了这些晶体，并且被证明是沙漠中不可或缺的向导、翻译和知识传承者。令人惊讶的是，我们在废弃的San Francisco矿（https://www.mindat.org/loc-11428.html）的废石堆中发现了这些晶体。随后，我们在智利安托法加斯塔的北方天主教大学（https://www.ucn.cl/）地质系的Joseline Tapia教授及其工作人员的帮助下，通过X射线散射验证了这些晶体的身份。 按回车键或点击查看全尺寸图片 我发现的晶体的粉末X射线谱，确认其身份为Herbertsmithite与Atacamite的混合物。这并非一个小发现。我们找到了大量这种晶体。我尚未分离并测量所有晶体，但保守估计，通过目测，我们至少拥有10克六边形绿色晶体（但可能更多）。我希望其中大部分是Herbertsmithite，同时我们还有至少几克相关的矿物Atacamite和Zn-Paratacamite。（X射线散射表明这些晶体主要是Herbertsmithite，组分约占65%，但这并不可靠，且仅限于一个样品。未来的测量将更精确地确定确切的比例和数量。） 作为对比，实验室生长的晶体非常难以培养。大约需要一整周的准备工作和整整九个月的等待才能生长到完整尺寸。这个过程还需要大量的训练才能掌握。此外，设备开销（>10,000美元）和所需反应化学品（每次生长尝试约100美元）也非常昂贵。这种合成过程每根试管仅能产出约1-2克晶体，且成功率仅为约45%。而维森特和我似乎在这一次发现中找到了近十倍于此的数量。与此同时，唯一的设备开销只是我们在卡拉马当地采矿用品店购买的一对价值15美元的简陋镐头。 按回车键或点击查看全尺寸图片 智利Sierra Gorda附近San Francisco矿（https://www.mindat.org/loc-11428.html）外的废石堆。这是我发现天然Herbertsmithite的地点。这本身已足以成为研究天然晶体的理由。然而，在我的地质研究中，我还发现了一些真正惊人的事实。天然Herbertsmithite晶体已被测量出比我们的实验室合成晶体更纯净（https://www.rruff.net/odr/rruff_sample#/odr/view/642539/2010/eyJkdF9pZCI6NzM4LCI3MDY5IjoiUjA2MDM4NyIsInNvcnRfYnkiOlt7InNvcnRfZGZfaWQiOiI3MDY5Iiwic29ydF9kaXIiOiJhc2MifV19）。这项测量是由已故的Michael Scott（https://stoneumbrella.com/rruff-project/）在亚利桑那大学地质系通过电子探针显微镜完成的。该测量是针对来自智利Sierra Gorda郊外San Francisco矿（https://www.mindat.org/loc-11428.html）的Herbertsmithite样品进行的；这正是我们发现晶体的同一个矿。（附：Michael Scott本人也是一位传奇的矿物收藏家，他帮助创建了我上面链接的亚利桑那大学RRUFF矿物学数据库。） 坦率地说，这令人难以置信，并且对量子物理学具有重大影响。磁性杂质是QSL研究中许多争论和不确定性的根源。纯度问题的核心在于铜与锌的比例。在理想化学式中，这个比例是3:1。在我们最好的实验室合成品中，我们仅达到了3.15:0.85的比例（https://journals.aps.org/prb/pdf/10.1103/PhysRevB.94.060409）；总是存在一定量的过量铜。而天然晶体则更接近理想比例，为2.98:1.02（https://www.rruff.net/odr/rruff_sample#/odr/view/642539/2010/eyJkdF9pZCI6NzM4LCI3MDY5IjoiUjA2MDM4NyIsInNvcnRfYnkiOlt7InNvcnRfZGZfaWQiOiI3MDY5Iiwic29ydF9kaXIiOiJhc2MifV19），实际上还含有微量的过量锌。 起初，这种纯度差异似乎很小，但在这个系统中影响巨大。在理想材料中，这些晶体拥有包含磁性Cu2+离子的二维笼目层。每一层都被非磁性的锌间隔层分隔开。这意味着磁性物理学实际上是二维的，这就是为什么这些晶体能够容纳如此奇异的量子物质状态。 按回车键或点击查看全尺寸图片 Herbertsmithite的球棍模型，面外视图。如果层间保持磁性分离，笼目层内包含奇异的量子物理。然而，层间位点有时会被磁性杂质离子占据。如果这种情况过于频繁发生，可能会破坏量子磁性。问题在于，过量的铜会取代原本非磁性的锌间隔层，这在一定程度上破坏了二维磁性，使得二维层之间能够进行磁性“交流”。许多物理学家甚至认为，这些磁性杂质的存在足以破坏Kagome晶格上的QSL状态和/或掩盖其磁性特征（https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.8.031028）。这正是我们的中子散射测量的用武之地；我们找到了强有力的证据，能够以令人信服的方式将磁性杂质的贡献与Zn-Barlowite中Kagome的贡献分离开来。此外，我们还将这一分析应用于Herbertsmithite——另一种可能具有不同杂质环境的QSL材料。两者在QSL行为上几乎相同，所有差异都可以很好地归因于它们不同的杂质环境（详见《自然》论文的进一步讨论：https://arxiv.org/abs/2504.06491）。 然后我们进一步提供了证据，证明量子自旋液体状态本质上是“有能隙的”。这有点专业术语，但实践中意味着QSL状态对扰动具有鲁棒性。这是因为激发该状态需要最少的能量。因此，它应该不会脆弱到因为几个残留的磁性杂质而失效。这也意味着，未来由这些晶体及其奇异激发态制成的量子计算机，可能比其他选择具有更强的容错能力（https://arxiv.org/abs/quant-ph/9707021）。下面这张图说明了这一点： 按回车键或点击查看全尺寸图片 我们最近《自然》论文中的拟合图，试图将磁性杂质贡献与Zn-Barlowite二维笼目层中的固有量子磁性分离开来。请注意，即使在使用大约20%潜在杂质位点被占据的高质量样品时，杂质信号相对于提出的量子磁信号仍然巨大，大约是其5倍大小。尽管这篇论文令人惊叹且具有开创性，但合理的怀疑依然存在。虽然我们提出的理论令人信服且自洽，但我们的模型远非唯一能够解释我们数据的理论。尤其是在提出的杂质贡献巨大的情况下——大约比来自QSL状态中所谓“固有”量子磁性的信号大5倍。 能够为有能隙量子自旋液体状态提供更强证据的一件事，就是拥有一个100%纯净的Herbertsmithite样品，且没有层间杂质。这将使我们的中子散射数据解释起来远不那么模糊；在这样的样品中，理论上的“自旋能隙”将极其清晰，我们几乎不需要（甚至完全不需要）依赖经验模型的推断。 按回车键或点击查看全尺寸图片 与上图相同的图，但减去了模型杂质贡献。**理论上**，没有层间杂质的样品在直接测量中应该看起来像这样，低能量下基本没有散射。这就是“能隙”的含义。测量强烈表明天然晶体没有层间杂质，我希望有一天能在它们身上测量到这种类型的散射特征。这就是天然晶体可能如此特别的原因。它们不仅纯净，而且达到了102%的纯净度😊！！拥有过量的锌而不是过量的铜，意味着层间基本上没有铜，并且上面概述的许多优势都应得以保持。相对于理想化学式的额外锌必须进入笼目层，这理论上可能引起自身的问题。然而，这是可以建模的。如果基态确实是一个有能隙的量子自旋液体，那么它应该对这种微小扰动具有鲁棒性。但这种扰动在性质上会非常不同。这将带来巨大的差异，使我们的结论不再那么模棱两可。 说到这里，我要指出这种说法并非没有争议。我的导师Young Lee教授此前曾发表过一篇论文，认为在这些材料中锌杂质不可能占据笼目层（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja1070398）。他使用了非常前沿的位点特异性X射线散射技术来验证这一说法。我要指出，Lee教授是一位经验极其丰富的散射专家，曾于2022年至2024年担任美国中子散射学会主席（https://neutronscattering.org/about/previous-executive-commitees/）。作为他团队的一名长期成员，我几乎可以肯定他的测量是正确的。 另一方面，Kremer等人的研究（https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.024424）在今年1月报告称，在高锌浓度样品中存在笼目位点混合，因此这一说法在该子领域中仍然存在激烈争议。我向Young询问过此事，他深信Kremer和Michael Scott的测量都是错误的，尽管他拒绝就两者的方法论提供具体批评。 按回车键或点击查看全尺寸图片 表明关于Herbertsmithite存在矛盾研究主张的图表。Kremer等人于2025年1月测量了笼目层上的锌占据（左）。而Freedman等人于2010年声称测量到无层内锌。我们该如何理解这些矛盾的主张？答案其实很简单。在凝聚态物理中，这类问题通常归结为使用不同技术生长的不同晶体之间的微小差异（https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.88.041002）（即使是无意的）。因此，Kremer和Lee教授的主张都成立的可能性仍然很大（https://www.science.org/doi/10.1126/science.1163196）。我个人怀疑，在Young的合成晶体上没有笼目层混合，而这种混合可能存在于Kremer的样品中。 这类晶体家族甚至比平均水平更显著地异常，对生长条件极其敏感。例如，我的前任和主要导师Dr. Rebecca Smaha证明，仅通过改变反应路径（http://medium.com/r?url=https%3A%2F%2Fwww.nature.com%2Farticles%2Fs41535-020-0222-8），就可以重复生长出相关材料Barlowite的两种不同磁性形式。 按回车键或点击查看全尺寸图片 Barlowite的两种不同磁性形式，可以通过不同的合成途径重复生长。因此，Young的测量显示无层内锌是正确的，而天然晶体由于以不同方式生长而具有层内锌占据，这完全是可能的。我们甚至可以考虑对天然晶体重复进行位点特异性X射线测量。这可能会极大地帮助了解过量锌的去向。