于偉強(qiáng) 教授 研究組 供稿?

近日，中國人民大學(xué)物理系于偉強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)物理學(xué)院溫錦生教授團(tuán)隊(duì)共同合作，通過磁場下的多種測量手段結(jié)合，在α-RuCl3中發(fā)現(xiàn)了磁場誘導(dǎo)的自旋液體態(tài)和新奇元激發(fā)。該研究成果以 “Gapless Spin Excitations in the Field-Induced Quantum Spin Liquid Phase of α-RuCl3”為題于2017年12月發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上.

一般磁性材料在低溫下磁矩會呈規(guī)則有序排列。而量子自旋液體態(tài)則不同：由于競爭的相互作用，該體系電子的自旋即使在絕對零度也呈現(xiàn)液體一般的無序態(tài)。重要的是，一些系統(tǒng)雖然自旋無序排列，它們之間卻存在長程的量子糾纏，因此有量子通訊及量子計(jì)算的潛在價值。同時，也有觀點(diǎn)認(rèn)為，高溫超導(dǎo)電性是通過摻雜量子自旋液體演化而來的。

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理論上認(rèn)為三角或Kagome格子上的幾何阻挫能夠?qū)е铝孔幼孕后w。2006年，加州理工大學(xué)的A．Kitaev理論精確求解發(fā)現(xiàn)，具有自旋1/2的二維六角蜂窩狀格子，一類各項(xiàng)異性的相互作用具有嚴(yán)格的自旋液體解，被稱為Kitaev量子自旋模型。在實(shí)驗(yàn)上找到這種材料具有重大意義。

近期研究發(fā)現(xiàn)，在α-RuCl3材料中存在Kitaev和其它相互作用，但該材料的基態(tài)為zigzag的磁有序態(tài)。為了尋找量子自旋液體，中國人民大學(xué)的于偉強(qiáng)教授課題組和南京大學(xué)溫錦生教授團(tuán)隊(duì)對該材料進(jìn)行了聯(lián)合研究。溫錦生團(tuán)隊(duì)通過對磁場下的磁化率、比熱等宏觀材料性質(zhì)的測量，發(fā)現(xiàn)隨著面內(nèi)磁場的加大，磁有序態(tài)被逐漸抑制，當(dāng)達(dá)到一定值以后，磁有序態(tài)消失。中國人民大學(xué)的于偉強(qiáng)教授課題組則進(jìn)行了核磁共振實(shí)驗(yàn)，通過核磁共振譜學(xué)分析，證明了高場下該材料的微觀態(tài)不具有磁有序；更重要的是，在超過臨界磁場后，該材料的晶格-自旋弛豫率在低溫下呈現(xiàn)與溫度的三次方正比的關(guān)系，從而支持該材料具有狄拉克色散型的無能隙費(fèi)米元激發(fā)，是自旋液體的重要特征，該結(jié)果表征在上面所示的相圖。其中在7.5 T和15 T之間區(qū)域?yàn)榱孔幼孕后w態(tài)。該研究結(jié)果加深了人們對近似Kitaev量子自旋液體的認(rèn)識。中國人民大學(xué)的劉正鑫副教授及瑞士保羅謝勒研究所的Bruce Normand研究員提供了重要理論支持。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國人民大學(xué)研究基金的支持。

發(fā)表文章: J. Zheng, K. Ran, T. Li, J. Wang, P. Wang, B. Liu, Z.-X Liu, B. Normand, Jinsheng Wen*, and Weiqiang Yu*, Phys. Rev. Lett. 119, 227208 (2017).