中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系在磁性材料的BKT相變研究中取得進(jìn)展
2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家，Thouless、Haldane和Kosterlitz，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)拓?fù)湎?，以及在拓?fù)湎嘧兎矫孀鞒龅睦碚撠暙I(xiàn)。Thouless和Kosterlitz的工作是理論上提出一種拓?fù)湎嘧兊臋C(jī)制，從XY自旋模型出發(fā)，在二維材料中會(huì)出現(xiàn)具有拓?fù)湫再|(zhì)的渦旋。這些渦旋在低溫下會(huì)形成緊密的“渦旋對(duì)”，隨著溫度上升發(fā)生相變，兩個(gè)成對(duì)的漩渦突然之間相互遠(yuǎn)離并各自在材料中獨(dú)自運(yùn)動(dòng)。這個(gè)相變機(jī)制被命名為Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相變，并預(yù)言會(huì)在磁性材料中存在。實(shí)驗(yàn)上曾在超流氦薄膜和二維超導(dǎo)薄膜中觀測(cè)到BKT相變，但一直還沒有在磁性材料中找到BKT相的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
近期，中國(guó)人民大學(xué)于偉強(qiáng)教授課題組、南京大學(xué)溫錦生教授課題組、中科院物理所孟子楊教授課題組、北京航空航天大學(xué)李偉教授課題組、復(fù)旦大學(xué)戚揚(yáng)課題組等多個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，結(jié)合樣品合成、核磁共振測(cè)量、磁化率測(cè)量和蒙特卡洛數(shù)值計(jì)算等，首次在磁性材料TmMgGaO4中發(fā)現(xiàn)了BKT相存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并建立了其豐富的相圖（圖a）。
圖 a. TmMgGaO4 施加面外磁場(chǎng)的相圖；b. 面內(nèi)磁場(chǎng)下的自旋晶格弛豫率；c. 不同溫度下微分磁化率的冪律擬合。
具體而言，在三角晶格Ising反鐵磁模型中，自旋阻挫導(dǎo)致其基態(tài)是高度簡(jiǎn)并的。理論上認(rèn)為橫場(chǎng)的引入會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)并解除，產(chǎn)生 “無序?qū)е掠行颉钡男缕鏅C(jī)制，低溫下形成六重簡(jiǎn)并的“時(shí)鐘相”，該相的序參量在復(fù)平面具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，從而在更高的溫度演生出XY型U(1)對(duì)稱性，所以預(yù)期會(huì)有BKT相的存在。近期，對(duì)三角晶格材料TmMgGaO4的研究中發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的各項(xiàng)異性，非常符合理想的三角晶格Ising模型，在晶體場(chǎng)和自旋軌道耦合作用下，其低能性質(zhì)可以被有效自旋為1/2的non-Kramers雙重態(tài)描述，而這個(gè)雙重態(tài)不受對(duì)稱性保護(hù)，存在小的能級(jí)劈裂，這可以等效為一個(gè)有效內(nèi)稟橫場(chǎng)的作用，為BKT相的研究提供了一個(gè)天然的好材料。
該實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)借助于核磁共振對(duì)低能探測(cè)非常靈敏的特性，從低能漲落的特性探測(cè)BKT相。但在三角晶格橫場(chǎng)Ising模型中，一旦施加磁場(chǎng)，BKT相就會(huì)被破壞，對(duì)核磁共振測(cè)量造成了困難。巧合的是，對(duì)于TmMgGaO4，由于面內(nèi)是多極矩，其g 因子幾乎為零，導(dǎo)致面內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)材料的電子態(tài)幾乎沒有影響。運(yùn)用材料這樣的特性，在施加面內(nèi)磁場(chǎng)下，不僅提供了核磁共振需要的磁場(chǎng)，并可以測(cè)量接近零場(chǎng)的材料性質(zhì)。具體結(jié)果是自旋晶格弛豫率展示了一個(gè)從0.9 K和1.9 K的平臺(tái)型結(jié)構(gòu)（圖b），表明在這個(gè)區(qū)間是一個(gè)具有發(fā)散自旋關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、沒有長(zhǎng)程磁有序的相。結(jié)合對(duì)該材料的量子蒙特卡洛計(jì)算，證實(shí)在平臺(tái)溫度區(qū)間是一個(gè)懸浮的BKT相。
使用磁化率的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該材料的微分磁化率和磁場(chǎng)服從一個(gè)冪律行為，即dM/dH ～ H –α（圖c）。對(duì)不同溫度下0.6-0.9 T微分磁化率的擬合，在0.8 K時(shí)α接近2/3，在更高溫逐漸減小，3 K之上α幾乎為0。同樣通過量子蒙特卡洛計(jì)算得到的結(jié)果也和實(shí)驗(yàn)相吻合，對(duì)應(yīng)BKT相的臨界指數(shù)變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了BKT相漲落的存在。
這是實(shí)驗(yàn)上首次在磁性晶體材料中發(fā)現(xiàn)BKT相的存在，同時(shí)這也為BKT相的研究提供了一個(gè)具體的例子，并為進(jìn)一步研究磁性材料中的BKT物理提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。該成果以“Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet”為題于2020年11月發(fā)表于《Nature Communications》。
南京大學(xué)溫錦生教授課題組為該工作提供了高質(zhì)量的單晶和精細(xì)的磁化率測(cè)量，于偉強(qiáng)課題組提供了核磁共振測(cè)量，中科院物理所孟子楊教授課題組、北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院李偉教授課題組以及復(fù)旦大學(xué)戚揚(yáng)教授提供了理論分析和數(shù)值計(jì)算。中國(guó)人民大學(xué)博士生胡澤、湖北師范大學(xué)馬禎、中科院物理所廖元達(dá)、北京航空航天大學(xué)李涵為該論文的共同第一作者，于偉強(qiáng)教授，溫錦生教授、孟子楊教授、李偉教授和戚揚(yáng)教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、以及中國(guó)人民大學(xué)研究基金的支持。
論文信息：
Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet, Z. Hu#, Z. Ma#, Y.-D. Liao#, H. Li#, C. Ma, Y. Cui, Y. Shangguan, Z. Huang, Yang Qi*, Wei Li*, Zi Yang Meng*, Jinsheng Wen*, and Weiqiang Yu*, Nature Communications 11, 5631 (2020). [https://doi.org/10.1038/s41467-020-19380-x]
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