物理学院 School of Physics, Nanjing University

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温锦生教授团队在量子自旋液体领域的又一重要进展——在Kitaev体系α-RuCl3中发现了磁场诱导的量子自旋液体相

2017年12月05日

近日,由南京大学物理学院温锦生教授团队与中国人民大学于伟强教授团队共同合作,通过磁场下的磁化、比热及核磁共振实验,在α-RuCl3中发现了磁场诱导的自旋液体相。该研究成果以 “Gapless Spin Excitations in the Field-Induced Quantum Spin Liquid Phase of α-RuCl3”为题于2017年12月1日发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 119, 227208 (2017)].

一般磁性材料在低温下磁矩会呈规则有序排列。而对于量子自旋液体这个全新的拓扑量子态则大为不同——该体系电子的自旋即使在绝对零度也呈液体一般的无序状态,并因该特性而得名。有趣的是,虽然自旋无序排列,它们之间却存在着长程的量子纠缠,因此可以被应用于量子通讯及量子计算。同时,有观点认为,高温超导电性是通过掺杂量子自旋液体演化而来的。因此对它的研究有助于高温超导机制的理解。这种新奇的量子态也因此吸引了众多凝聚态领域的研究者。

目前被认为是量子自旋液体的体系一般是建立在三角格子或Kagome格子上的阻挫系统。 2006年,加州理工大学的A.Kitaev提出了一种定义在二维六角蜂窝状格子上具有自旋1/2的自旋模型,被称为Kitaev量子自旋模型。不同于由于几何磁阻挫导致的量子自旋液体,Kitaev量子自旋液体是由于体系中的量子阻挫导致的。自旋之间的相互作用称为Kitaev相互作用。该模型具有拓扑序,存在非阿贝尔任意子激发。通过对任意子的操作,可以实现量子计算。因此,在实验上找到这种材料具有重大意义。此前,南京大学温锦生教授与李建新教授联合团队利用中子散射的实验手段结合理论模拟,在α-RuCl3材料中首次发现了Kitaev 相互作用[Physical Review Letters 118, 107203 (2017)](详见此前的报道http://news.nju.edu.cn/show_article_12_45076)。但该材料的基态为磁有序态,并不是量子自旋液体态。

为了实现真正的量子自旋液体,南京大学温锦生教授团队对该材料施加磁场进行量子调控,并对磁场下的磁化率、比热等材料宏观性质进行了测量。他们发现随着面内磁场的加大,磁有序态被逐渐抑制,当达到一定值以后,磁有序态消失。为了研究临界磁场以后的磁无序态是否为所期望的量子自旋液体态,中国人民大学的于伟强教授课题组进行了核磁共振实验,通过分析核磁共振谱获得了高场下该材料为量子自旋液体的有力证据。特别是,他们通过分析不同磁场下的晶格-自旋弛豫率发现了在过了临界磁场附近磁场区域晶格-自旋弛豫率与温度的3次方成正比,表明了材料具有狄拉克型的非平庸的无能隙磁激发。综合磁场下的磁化、比热、以及核磁共振结果,温锦生教授与于伟强教授联合团队绘制出了如图1所示的相图,确认了磁有序态在7.5 T左右消失,在临界场附近的无序态为量子自旋液体态。该研究结果大大加深了人们对Kitaev量子自旋液体材料的认识,同时也将促进人们对量子自旋液体这一新奇自旋态的进一步实验探究。


图1. (a), α-RuCl3的晶体结构。 (b),磁场与转变温度相图。相图左侧的温度为通过比热与磁化率测量获得的反铁磁转变温度,右侧为通过核磁共振获得的晶格-自旋弛豫率的转变温度。
 
        中国人民大学的博士生郑家成与南京大学的博士生冉柯静为文章的共同第一作者,南京大学温锦生教授与中国人民大学于伟强教授为共同通讯作者。温锦生教授团队提供了高质量单晶及高场下的磁化、比热数据,核磁共振实验由于伟强教授团队负责。中国人民大学的刘正鑫副教授及瑞士保罗谢勒研究所的Bruce Normand研究员提供了理论支持。该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、一流大学和一流学科建设计划、中央高校研究基金、人工微结构协同创新(2011)中心、以及中国人民大学研究基金的支持。

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