南京大学温锦生与李建新联合团队首次在真实材

作者: 产品评测  发布:2019-12-01

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近日,由南京大学物理学院温锦生教授及李建新教授领导的课题组利用中子散射的实验手段结合理论模拟,在真实材料体系中观测到存在于一类新奇量子自旋液体中的Kitaev 相互作用。该研究成果以 Spin-Wave Excitations Evidencing the Kitaev Interaction in Single Crystalline α-RuCl3为题于2017年3月7日发表于《物理评论快报》[Physical Review Letters 118, 107203 ]金沙澳门官网dkk,。

近日,南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授、万贤刚教授以及于顺利副教授等人通力合作,利用中子散射结合理论模拟对三维反铁磁体Cu3TeO6进行研究,首次在真实材料体系中观测到了三维拓扑磁振子激发。该研究成果以“Discovery of coexisting Dirac and triply degenerate magnons in a three-dimensional antiferromagnet”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 9, 2591 ]。这是温锦生教授课题组近一年多来在量子磁性方面在国际权威期刊发表的第5篇文章,之前有4篇关于量子自旋液体的工作发表在《物理评论快报》上,其中有2篇也是与李建新教授课题组合作完成的。

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。

将“拓扑”这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯、拓扑绝缘体、三维狄拉克半金属以及外尔半金属等,大大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。这些材料中具有拓扑属性的准粒子是满足费米统计的电子,即费米子。这些费米子的能带具有拓扑性质,其两条线性交叉的色散可以用狄拉克或外尔方程进行描述,分别对应着狄拉克或外尔费米子。除此之外,还可能存在超越狄拉克-外尔框架的新的费米子,如三重简并费米子。与狄拉克或外尔费米子不同的是,三重简并费米子具有二条线性能带和一条平带交叉的能带结构。

通常认为量子自旋液体可以利用三角格子或Kagome格子上的几何磁阻挫而产生。 但在2006年,来自加州理工大学的Kitaev提出了一种随后以他的姓氏命名的新的量子自旋液体。他本人也因为相关工作获得了奖金为300万美元的首届基础物理奖,以及凝聚态物理领域的最高奖巴克利奖(今年与文小刚教授一同获奖)。他定义了一个二维蜂窝状格子上强各向异性自旋模型。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。

实际上,根据拓扑能带理论,能带结构的拓扑属性不依赖于体系中准粒子的统计属性。这意味着除了拓扑费米子之外,拓扑玻色子也应当存在。到目前为止,拓扑玻色子在光子晶体、声子晶体等人造材料中被广泛实现,然而却很少在真实材料中被发现。磁振子作为自旋波量子——磁有序材料磁激发的准粒子,拥有玻色子的属性。虽然也有大量的理论工作提出了各种磁振子拓扑态,实验上一直鲜有报道,特别是在三维体系中,还未有拓扑磁振子态被发现。在拓扑磁振子系统中,非零的贝利曲率会导致电中性的磁振子具有反常热霍尔效应,并且非平庸的能带结构会使体系出现受拓扑保护的表面态,这些性质使得拓扑磁振子材料在发展高效率、低耗散的新型电子自旋器件上具有十分重要的应用前景。因此,在实验上找到这样的材料具有重要意义。

由于中子呈电中性,可以深入样品内部,探测材料体的信息;同时中子带有自旋,可以与材料的自旋相互作用,实现对样品自旋动力学行为的探测。所以,非弹性中子散射是研究量子自旋液体最强有力的手段。该工作正是基于这一手段,对一个具有蜂窝状格子的准二维材料α-RuCl3单晶进行了研究。由于该材料的准二维特征,单晶呈片状,质量很小,而非弹性中子散射实验需要的质量很大。温锦生教授团队利用劳埃衍射定向的方法,将100多片薄片单晶进行了定向堆叠,保证它们取向的一致性,获得了1.5克的材料。通过非弹性中子散射对该材料的测量,获得了精确的磁激发谱。

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李建新教授领导的理论团队根据第一性原理得到的有关参数,利用强耦合展开,针对该材料提出了一个Kitaev相互作用占主导地位的有效自旋模型,即K- Γ模型(有关该模型的详细理论推导,见arXiv:1612.09515)。通过跟实验数据的拟合,发现该模型与实验得到的磁激发谱吻合程度很高,从而确认了Kitaev相互作用在这一真实材料中的存在。

图1. a, Cu3TeO6的晶体及磁结构。为简洁起见,图中只标注了Cu原子。箭头为自旋示意图。b, 倒空间中的第一布里渊区以及各主要高对称点。c和d,中子散射实验所得到的分别沿着动量空间[001]和[111]方向的磁激发谱。c和d中的白线为理论计算的结果。虚线为b图所示的在动量空间中的位置。

虽然该工作在真实材料体系中实现了Kitaev量子自旋液体所必需的Kitaev相互作用,但因为该材料的基态为磁有序态,距离真正的Kitaev量子自旋液体态还存在一定的距离。该团队将在这方面做进一步的研究。

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