郭艳峰课题组与合作者在量子自旋液体取得重大进展

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在一些反铁磁关联体系中，较强的几何阻挫和相互竞争的磁交换作用使得体系无法寻找到同时满足所有磁交换作用要求的有序态，与此同时，量子涨落使得体系可以在不同态之间隧穿，导致系统的基态是一个无限重简并的量子叠加态（共振价键态）。在此情况下，相互作用的自旋无固定指向且一直在变化，既不同于顺磁态（自旋气体），也没有形成长程磁有序（自旋固体），而是表现出类似于液态的性质，因此被称之为量子自旋液体。量子自旋液体态的重要特征包括长程量子纠缠、分数化激发以及体系在极低温下不形成磁有序。
       量子自旋液体由诺贝尔奖获得者、凝聚态物理重要奠基人P. W. Anderson教授在研究反铁磁三角格子自旋1/2的海森堡反铁磁体模型时提出。这样的体系中虽然有很强的自旋关联，但宏观上直到绝对零度也不出现磁有序。量子自旋液体除了被用来解释高温超导的可能形成机理——即通过对其掺杂来实现高温超导电性，也由于其无序排列的自旋存在长程的量子纠缠，在量子计算中有潜在的应用前景，因此受到了广泛关注，成为凝聚态物理研究领域一大重要课题。经过近四十年的研究，目前已经取得了很多理论方面的成果，但是仍然缺乏公认的量子自旋液体存在的实验证据。主要困难有两个：一是因为量子自旋液体不具有类似传统相变所对应的对称性破缺和序参量，即不存在局域的实验可观测量。另一方面是因为目前很多量子自旋液体候选材料无法长成可供测量的大尺寸单晶或单晶本身存在较多缺陷，严重阻碍了对量子自旋液体的深入研究，使得目前实验上报道的量子自旋液体仍然充满了争议。

图一：（a）-（l）单晶形貌及质量表征；

        中科院物理研究所张清明研究员最近提出了一类新量子自旋液体候选材料，即三角格子ReYbCh2（Re=Rare earth, Ch=O, S, Se）体系，但是前期研究缺乏对单晶样品中子散射测量，因此缺乏分数化磁激发存在的关键实验证据。我校物质学院郭艳峰教授课题组通过对生长的三角格子NaYbSe2磁化率及低温比热测量后分析发现，该材料直至低温40 mK尚无长程磁有序出现，并且该结构存在较大的结构阻挫及磁阻挫。在上海同步辐射光源进行的结构表征以及在我院分析测试平台的表征结果表明，该晶体结构存在的缺陷或原子相互占位情况非常低，因此是研究量子自旋液体行为较为理想的候选材料。郭艳峰教授课题组与北京师范大学鲁兴业教授、美国Rice大学戴鹏程教团队组合作，对生长的高品质单晶样品开展了弹性及非弹性中子散射研究，发现该样品的磁激发并不是尖锐的自旋波（磁振子）激发，而是覆盖了布里渊区大片区域（0.1 – 2.5 meV）的连续谱。这种连续谱普遍存在于整个磁激发的带宽之内，主要集中在布里渊区边界，而在布里渊区中心附近信号则被压制，从而在色散谱上形成了V字形的上边沿。进一步的理论计算表明，这种连续谱在低能具有较高的态密度，其整体形状与自旋子费米面附近的粒子-空穴激发谱的计算结果相吻合，而与狄拉克量子自旋液体的激发谱相左。进一步的中子数据及低温比热分析揭示该材料具有~1 meV的较弱的反铁磁交换作用，在15 K左右自旋系统的熵已经接近于饱和（~ Rln 2），与自旋1/2的Yb3+局域磁矩符合。低温磁化率和比热随温度变化规律表明该系统的低能激发是零能隙的。低温比热测量揭示了T^3/2的行为。这一系列实验证据说明NaYbSe2很可能是一种具有U(1)规范场涨落的自旋子费米面量子自旋液体，即U(1)规范涨落导致系统变成一个自旋子的非费米液体。

图二：（a）-（h）晶体结构、晶体场劈裂、磁化率、比热等基本表征结果

图三：中子散射在40mK低温下测量的自旋子连续谱

        相关成果以“Spinon Fermi surface spin liquid in a triangular lattice antiferromagnet NbYbSe2”为题近日发表于国际著名期刊Physical Review X上。香港大学陈钢教授为实验结果提供了理论解释。北京师范大学博士生戴鹏玲与物质学院郭艳峰教授课题组已毕业硕士张高宁为论文共同第一作者。香港大学陈钢教授、上海科技大学郭艳峰教授、北京师范大学鲁兴业教授、美国Rice大学戴鹏程教授为本论文共同通讯作者。本研究工作受到了国家自然基金面上项目及上科大物质学院分析测试平台的支持。

        论文链接：https://journals.aps.org/prx/acc ... f6cc22089431a476581


        文章来源：上海科技大学
      郭艳峰，2008年获得中国科学院物理研究所博士学位，2008年至2015年先后在日本物质材料研究所（NIMS）及牛津大学物理系从事博士后研究，2015年7月份加入上海科技大学，担任新量子物质材料探索研究组组长、研究员及终身制序列（Tenure-track）助理教授。先后获得上海市浦江人才计划、上海市东方学者特聘教授等荣誉。长期从事包括非常规超导体、磁性及拓扑材料等新量子材料探索、单晶生长及物性研究。截至目前发表论文七十多篇，其中逾二十篇发表在Nature Materials，Nature Physics，Journal of the American Chemical Society，Physical Review B，Applied Physics Letters 等国际权威杂志，被引用近1100次。