物理学院量子磁性物质研究团队在自旋拓扑物质研究中取得系列进展

作者: 时间:2021-07-01 点击数:

 

严格可解的Kitaev六角晶格模型是人们理解自旋液体态的重要系统。在该模型中施加一外磁场,可以产生满足非阿贝尔统计的任意子,对其进行编织可以实现拓扑量子计算。近年来,自旋液体候选材料a-RuCl3因有望实现Kitaev模型及其新奇量子态而受到广泛关注。然而,由于a-RuCl3中还存在除Kitaev相互作用之外的其他磁性相互作用,开展精确建模、并探索其中可能存在的自旋液体等新奇量子物态和阻挫效应,是目前亟待解决的学术前沿问题。近日,物理学院量子磁性物质研究团队李伟课题组和龚寿书课题组在Kitaev自旋液体候选材料a-RuCl3的研究中取得进展。该团队通过有限温度张量重正化群等方法,成功破译了a-RuCl3的量子磁性“基因“ ——其有效微观自旋模型,发现其中存在很强的Kitaev相互作用。团队开展大尺度和多方位的量子多体计算,定量解释了主要的实验测量结果,“复刻”了该量子材料的重要实验特征,并理论预言a-RuCl3材料中存在强磁场量子自旋液体相——这正是人们找寻已久的新奇量子磁性物态。相关工作于2021年6月29日以“Identification of Magnetic Interactions and High-field Quantum Spin Liquid ina-RuCl3”为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications),北航物理学院为第一和通讯单位。

示意图Kitaev量子磁体α-RuCl3的有效微观模型的有限温度-有限磁场相图

多体计算破译量子磁体的“磁性基因”

对自旋液体候选材料a-RuCl3展开精确的多体研究,第一步就是精确确定其有效自旋模型中的相互作用参数。团队利用指数张量重正化群方法,结合人工和机器自动拟合,精确确定了K-J-Γ-Γ` 模型参数,得到与实验高度吻合的双峰结构的比热、各向异性的磁化率,及约为7K的反铁磁转变温度等。利用该模型,基态密度矩阵重正化群计算出面内和面外场下的低温磁化曲线,与实验对照一致;有限温度张量方法、密度矩阵重正化群、和变分蒙特卡洛的模型计算都给出系统在低温/零温下会展现出“之字形(zigzag)”反铁磁序;此外,精确对角化计算了自旋动力学结构因子,非常漂亮地得到了中子散射实验在4.5-7.5 meV能量范围内观察到的指纹特征 ——M-星形结构因子。综合对比,我们确认了模型的有效性,模拟结果与多个实验观察结果高度一致,破解了对理解α-RuCl3至关重要的相互作用磁性基因。

理论预言高场诱导的自旋液体相

此外,张量网络、密度矩阵重正化群、精确对角化,以及变分蒙特卡洛的模型计算均指出低温/零温下展现出的“之字形(zigzag)”反铁磁序会被7 T左右的面内磁场所抑制,经历一次相变后进入平庸的磁极化相。然而,当将磁场指向面外方向开展模型计算时,研究团队发现此时需要较强的磁场(35 T)才能抑制材料α-RuCl3中的反铁磁序,同时系统会进入中间自旋液体相,直到100T左右的强磁场才会将系统极化进入最终的平庸极化相(面外场-温度相图参见示意图)。新的自旋液体态理论预言为下一步实验上寻找α-RuCl3中的自旋液体态指明了方向,目前相关实验合作正在积极开展中。

这项工作是物理学院量子磁性物质团队与中国人民大学、中山大学等单位密切合作完成的,北航博士生李涵为论文第一作者,北航本科生张皓凯(已毕业)、人民大学博士生王久才、中山大学邬汉青为共同一作。人民大学刘正鑫、北航龚寿书和李伟为共同通讯作者。相关工作获得国家自然科学基金面上项目和重点项目、北航卓越百人计划和北航青年拔尖人才支持计划等的大力支持。论文在线链接为:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24257-8.

自旋拓扑物质研究的系列进展:部分时间反演对称性破缺与拓扑边缘态

除上述二维阻挫磁体a-RuCl3的工作,物理学院量子磁性物质研究团队李伟课题组近日与上海交大蔡子课题组合作,利用密度矩阵重整化群方法合作研究了存在系统和环境耦合的开放量子自旋链系统。 发现当系统、环境以及系统-环境耦合均不破坏时间反演对称性时,时间反演对称性保护的拓扑自旋系统的边缘态也会自发破坏,因而对利用时间反演保护拓扑序及其拓扑边缘态来实现量子计算的方案提出了挑战。

E33D

相关工作于2021年6月9日发表于物理评论快报(Physical Review Letters),北航硕士生李乔依为论文共同一作,李伟为共同通讯作者,北航为通讯单位,论文在线链接为https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.237201.


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