赵俊和陈钢课题组在量子自旋液体研究中取得新进展
发布时间: 2018-10-09     文章作者:     访问次数: 859

    近日,我系赵俊教授课题组与陈钢教授课题组及合作者发现量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的磁激发随外场的演化符合具有费米面的量子自旋液体态的行为,为该体系中量子自旋液体态的存在提供了进一步证据。108日,相关研究论文以《部分磁化的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的分数化激发》(“Fractionalized excitations in the partially magnetized spin liquid candidate YbMgGaO4”)为题,作为“编辑高光文章”(“Editors Highlights”)发表于国际权威杂志《自然·通讯》(Nature Communications)(10.1038/s41467-018-06588-1)。我系直博生沈瑶为论文第一作者。

    量子自旋液体是最早由著名凝聚态物理学家、诺贝尔奖获得者、普林斯顿大学教授安德森(P. W. Anderson)提出的新奇量子态。其表现为在自旋系统中虽然存在很强的关联,且自旋高度纠缠,但因为强烈的自旋阻挫和量子涨落,直到绝对零度也不出现磁有序。因而量子自旋液体态无法用前苏联理论物理学家、诺贝尔奖获得者朗道(Lev Davidovich Landau)开创的相变和序参量理论描述,而要用规范场和分数化的自旋子激发的崭新理论加以刻画。经过几十年的研究,理论上已对量子自旋液体提出了各种模型,但一直缺乏决定性的实验证据表明这种非平庸物质态的存在。日前,物理学系赵俊课题组和陈钢课题组在量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中观测到了磁激发连续谱,该连续谱与理论期望的分数化的自旋子激发谱一致,为量子自旋液体态在该材料中的实现提供了有力证据 [Nature 540, 559 (2016)]

    在发现相关实验证据后,为进一步研究量子自旋液体态的特征分数化激发性质,从而得到其基态性质,物理学系两课题组再次提出研究YbMgGaO4的磁激发随外场的变化关系。量子自旋液体态在弱场条件下依然能维持,而分数化的自旋子激发依然能用来描述该体系中的磁激发。实验研究发现,在2.5 T垂直磁场下,YbMgGaO4的激发谱依然是非常宽的连续谱。进一步测量发现,外场下YbMgGaO4的激发谱发生了显著的变化。其连续谱呈现出奇异的X型和V型的上下边界(图1)。对比一维体系中的自旋子激发随外场的演化,研究组对量子自旋液体中自旋子对外场的响应进行了计算。计算表明,自旋子能带在外场下会发生塞曼劈裂,同时引入能带间和能带内的自旋子激发,而基于该理论模型的计算结果与测得的激发谱的整体色散关系高度吻合。同时,测量还发现Gamma点信号加强的能量随外场线性增加,也与理论期望相符。这一系列研究均表明YbMgGaO4中的磁激发随外场的演化关系与具有费米面的量子自旋液体态中的自旋子激发相吻合,为量子自旋液体态在YbMgGaO4中的存在提供了新的证据,也为证明量子自旋液体态的实现提供了全新的思路。

    该项研究的中子散射实验在法国劳厄-郎之万实验室完成,实验过程得到了相关仪器科学家勃姆(M. Boehm)和斯蒂芬斯(P. Steffens)的协助;其他合作人员还有英国卢瑟福实验室博士沃克(H. C. Walker);该研究理论部分主要由从陈钢课题组转到加州大学圣芭芭拉分校的研究生李耀东完成。该研究得到了上海市教育委员会科研创新计划, 国家重点研发计划,国家自然科学基金和“千人计划”青年项目的共同资助。

图1 YbMgGaO4在2.5  T外场下的自旋子连续谱(左)
与对应的自旋子能带在外场下的塞曼劈裂(右)




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