研究发现，量子自旋冰的精细结构常数较大

量子电动力学（QED）是控制真空中带电粒子和光行为的基本量子理论。量子电动力学中相互作用的强度由精细结构常数α来量化，在我们的宇宙中，该常数是不变的和永恒的（α~1/137）。精细结构常数的微小性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，实现了远距离、基于光的通信等。

凝聚态物理学最近的一个重大发现是，类似QED的理论描述了量子自旋冰（一类分馏磁体）的行为。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，直到最低的可测量温度。由此产生的相位的特征是存在与自旋背景中类似光波的相互作用的磁电荷。

波士顿大学、麻省理工学院（MIT）和马克斯·普朗克物理研究所（Max Planck Institute für Physik komplexer Systeme）的研究人员最近开展了一项研究，调查量子自旋冰QED中出现的精细结构常数。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强粒子相互作用产生的物理现象的理想选择。

开展这项研究的两名研究人员Christopher R.Laumann和Siddhardh C.Morampudi通过电子邮件告诉Phys.org：“我们在考虑量子自旋冰中涌现QED的可能特征，发现最独特的特征涉及涌现电荷和光子之间相互作用的效应。”。“然后，我们意识到，表征这种相互作用强度的基本无量纲数（出射精细结构常数）在以前的任何工作中都尚未确定，以前的工作只专注于表征出射光速。”

Laumann、Morampudi和他们的同事们开始研究量子自旋冰的精细结构常数，因为他们相信这将为他们的QED提供更完整的特征。观察到一个相对较大的α值对他们来说是一个惊喜，因为这样的值将增强紧急QED的相互作用介导的特征。

Laumann和Morampudi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。”。“这使我们能够从晶格模型到计算可访问的有限尺寸系统中的长波出射QED。”

Laumann、Morampudi和他们的同事进行的数值模拟是第一次计算出出现QED中的精细结构常数，特别是在量子自旋冰中实现的QED。研究小组表明，在他们模拟的系统中，α常数通常比常规量子电动力学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谐到QED限制的最强耦合。

Laumann和Morampudi说：“通常QED的精细结构常数很小，而且是大自然提供的固定常数。”。“具有大且可调精细结构常数的涌现QED为理解QED中由于小耦合而受到严重抑制的过程提供了一个很好的平台。”

微扰理论是研究量子场论的主要理论工具之一。然而，在过去的几十年中，许多研究人员已经开始探索在强耦合下，在微扰理论不是特别有用的构造的情况下，场论会发生什么。

Laumann和Morampudi说：“这导致了各种各样的非微扰工具的出现，如果我们在量子自旋冰中有一个强耦合QED的实验场地，就可以测试这些工具的有效性。”。“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一个伟大目标，并有望发现有趣的强耦合QED物理作为回报。”

近年来，越来越多的物理学家开始研究量子自旋冰，特别是稀土焦绿石。在这些研究中发现的一些候选者可能表现出额外的相互作用，导致系统变得有序，而不是停留在量子自旋液相。Laumann、Morampudi及其同事计算的大精细结构常数意味着存在显著的相互作用介导效应，例如在阈值附近非弹性中子散射截面的大幅增强。

Laumann和Morampudi说：“在一些材料中，已经有了诱人的正确物理暗示，但无序和小能量尺度（例如限制中子散射的实验分辨率）到目前为止一直是限制因素。”。“在我们接下来的研究中，我们计划探索大精细结构常数在量子自旋冰潜在实现中的更多含义，并推动在短期量子计算机中对其进行模拟。我们希望更好地理解在这种情况下如何回答强耦合QED中的开放性问题。”