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

最近,赵军教授的研究小组和陈刚教授的研究小组和合作者发现,量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的磁激发与外部场的演化一致,与费米面的量子自旋液态有关。量子自旋液态的存在提供了进一步的证据。 10月8日,相关研究论文名为《部分磁化的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的分数化激发》(“部分磁化旋转液体候选物YbMgGaO4中的分数激发”),在国际权威杂志《自然·通讯》(自然通讯)上发表“编辑要点”(10.1038/s41467) -018-06588-1)。我是直接学生盛尧作为论文第一作者的直接作者。

量子自旋液体是由着名的凝聚态物理学家,诺贝尔奖获得者和普林斯顿大学教授P. W. Anderson提出的第一个新的量子态。事实证明,尽管在自旋系统中存在强相关性并且自旋是高度纠缠的,但由于强自旋电阻和量子波动,磁性顺序直到绝对零才出现。因此,量子自旋液态不能用前苏联理论物理学家和诺贝尔奖获得者Lev Davidovich Landau开创的相变和有序参数理论来描述,而是用规范场和分数自旋激发激发。描绘了新的理论。经过数十年的研究,理论上已经提出了各种用于量子自旋液体的模型,但是缺乏确定的实验证据来证明这种非平均状态的存在。最近,赵军研究小组和物理系陈刚研究小组在量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中观察到了磁激发连续谱,这与理论上预期的分数自旋激发光谱一致,这是一个量子旋。在这种材料中实现液态提供了强有力的证据[Nature 540,559(2016)]。

在发现相关实验证据后,为了进一步研究量子自旋液态的特征分数激发特性,并获得其基态性质,两组物理系再次提出研究磁激发的关系。 YbMgGaO4和外场。量子自旋液态仍然可以在弱场条件下维持,并且分数自旋激发仍然可以用于描述系统中的磁激励。实验研究发现,在2.5T垂直磁场下,YbMgGaO4的激发光谱仍然是一个非常宽的连续体。进一步的测量表明,YbMgGaO4在外场中的激发光谱发生了显着变化。它的连续体展示了X和V形状的单一上下边界(图1)。将一维系统中的自旋亚激发与外场演化进行比较,研究小组计算了量子自旋液中自旋对外场的响应。计算表明,自旋带能带将在外场下引起塞曼分裂,引入能带与能带之间的自旋子激发,计算结果基于理论模型和测量结果。激发光谱的总体分散。这种关系非常一致。同时,测量还发现伽马点信号增强的能量随外场线性增加,这也与理论预期一致。所有这些研究表明,YbMgGaO4中的磁激发与外场的演化和量子自旋液态与自由面的自旋激发一致,这为YbMgGaO4的存在提供了新的量子自旋态。证据还提供了一种证明量子自旋液态实现的新方法。

该研究的中子散射实验在法国Laue-Languwan实验室进行,实验过程由相关仪器科学家M. Boehm和P. Steffens协助;其他合作者也是英国卢瑟福实验室的HC Walker博士;研究的理论部分主要由陈刚团队的研究生李耀东完成,并转移到加州大学圣巴巴拉分校。该研究由上海市教育委员会研究与创新计划,国家重点研究发展计划,国家自然科学基金和千人计划青年项目共同资助。

图1 YbMgGaO4在2.5T(左)场中的自旋连续谱
塞曼与外场中相应的自旋能带分裂(右)

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