金沙澳门官网dkk南京大学温锦生教授与李建新教

作者: 产品评测  发布:2019-12-13

近日,南京大学人工微结构协同创新中心的三个单位的研究人员,包括南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授与于顺利副教授、刘俊明教授,复旦大学李世燕教授和浙江大学路欣教授等课题组通力合作,在量子自旋液体的研究中取得了新的进展。该合作团队用浮区炉方法生长出被广泛认为是量子自旋液体的三角晶格材料YbMgGaO4,并且克服了样品易挥发、不稳定的难题,长出了该材料的姊妹材料YbZnGaO4。综合成分结构分析、直流磁化率、极低温比热、中子散射、极低温热导率、极低温交流磁化率等实验手段,结合线性自旋波的理论模拟,发现这些材料的真实基态为自旋玻璃态。相关成果以“Spin-Glass Ground State in a Triangular-Lattice Compound YbZnGaO4”为题发表在《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 120, 087201 ]。这是温锦生教授课题组与合作者在不到一年的时间里在该期刊发表的第四篇关于量子自旋液体方面的工作。

近日,复旦大学物理学系赵俊课题组与陈钢课题组及合作者利用中子散射技术在量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中首次观测到了分数化自旋激发----完整的自旋子激发谱,这一结果为该体系中量子自旋液体态的实现提供了强有力的证据。12月5日,相关研究论文“Evidence for a spinon Fermi surface in a triangular lattice quantum spin liquid candidate”在线发表于《自然》(Nature)杂志(DOI: 10.1038/nature20614)。复旦大学物理学系研究生沈瑶、李耀东、沃弘樑为该论文的前三名作者,该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和“千人计划”青年项目共同资助。

对于一般的磁性材料,在高温时会因为热涨落强,使得电子的自旋不会发生有序排列。随着温度的降低,热涨落变弱,系统为了降低自身的能量,会倾向于打破某种对称性,发生磁相变,成为一个磁有序系统。但是在量子自旋液体中,由于量子涨落非常强,导致系统里电子的自旋在绝对零度时仍处于一个像液体一样的无序状态——材料也因该特性而得名。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,因此将来可以被应用于量子通讯。通过对其中的任意子激发进行操作,又能够实现量子计算。同时,基于量子自旋液体的基态与超导中库珀对的高度相似性,诺奖得主、普林斯顿大学的Philip Anderson提出,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。在具有三角或者Kagome格子的磁性材料中,反铁磁交换相互作用在一个三角格子的不同格点上不能被同时满足,由此造成了很强的几何阻挫,并产生了很强的形成量子自旋液体所需的量子涨落。因而,在这些材料中寻找量子自旋液体被认为是一个可行的方向。

量子自旋液体:一种全新的物质态

金沙澳门官网dkk 1

量子自旋液体是指系统中有很强的自旋关联,但是到绝对零度都不出现磁有序的一种新的物质态。这一概念最早在1973年由现代凝聚态之父P. W. Anderson从理论上提出。Anderson在研究反铁磁三角格子体系时,认为其基态可能是共振价键自旋液体态。这个概念在1987被Anderson用来解释高温超导机理,引起了广泛关注。在此之后,研究者发现量子自旋液体在量子计算中也有潜在的应用前景。现在,量子自旋液体是凝聚态理论和实验研究中的重要课题。

图1. 二维的三角格子 和 Kagome格子 示意图; 箭头和问号分别代表自旋的方向和几何阻挫。

对于一般的磁性材料,在低温下由于热涨落的作用减弱,磁矩之间的关联会使得系统趋向于进入一个磁有序的状态,产生铁磁、反铁磁等磁有序、并且产生和这些有序相关的对称性破缺。然而如果在这个体系中存在较强的几何阻挫或竞争性的磁相互作用,系统无法找到一个能够同时满足所有磁相互作用要求的有序态,同时量子涨落使得体系能从一个态隧穿到另一个态,最终系统的基态是一个拥有无限重简并的叠加态。于是,在这样一个体系中,自旋并没有固定的指向,而是一直在变化(量子叠加态),类似于一种液态的性质,量子自旋液体因此得名。

YbMgGaO4就是这样一种三角格子系统,而且之前多个研究组大量的实验证据表明该材料可能为一个理想的量子自旋液体。但是,作为量子自旋液体,该材料存在以下几个主要问题:1)材料的磁相互作用J很小,只有1.5 K,大约相当于0.15 meV,对探测仪器的分辨率提出了很高的要求;2)Mg2+与Ga3+完全换位,造成了很强的无序性,导致了无序的电荷环境,从而可能对磁相互作用造成影响。尽管这些离子在非磁层并且离Yb3+所在的磁层较远,但是在J很小的情况下,该无序的影响应当不能被忽略;3)该工作合作团队之一、李世燕教授课题组前期的热导率测量发现[Physical Review Letters 117, 267202 ],该材料的热导没有来自于磁激发的正面的贡献,而根据其他实验结果,该材料的磁激发是无能隙的。这一结果对该材料作为一个无能隙的量子自旋液体的观点提出了很大的挑战。那么该材料究竟是不是量子自旋液体?如果不是,那它的真正基态究竟是什么?那些类似量子自旋液体的现象的起因又是什么?带着这些问题,该合作团队生长出了高质量的YbMgGaO4单晶,并且克服了种种困难,长出了一种新的三角晶格材料,YbMgGaO4的姊妹材料—YbZnGaO4,并运用多种技术手段并结合理论,进行了深入、系统、全面的比较研究。

虽然量子自旋液体整体表现出一种无序态,但实际上这种无序态是由于无限重简并的基态导致的,在量子自旋液体中,各个自旋是高度纠缠在一起的。高度纠缠的自旋整体上却表现出无序性,这便是量子自旋液体真正的魅力所在。

直流磁化率结果[图2]显示最低温度测到2 K时,仍然没有长程磁序的出现。通过对数据进行拟合,得到了该材料的J约为1.73 K,与YbMgGaO4接近。图2展示了YbZnGaO4极低温的磁比热结果,在50 mK时仍然没有发现代表着相变的尖锐峰的出现。这些结果与此前对YbMgGaO4的测量结果非常类似。

另外,量子自旋液体不能用朗道相变理论来描述。按照朗道相变理论,物质从一个态相变到另外一个态必然伴随着对称性的变化,并且可以由一个序参量来描述该过程。然而对于量子自旋液体,从顺磁态到量子自旋液体态的整个相变过程没有对称性的变化,相应的也无法用特定的序参量来描述。因而和常规理论手段相比较,拓扑序、规范结构等概念更加适合描述量子自旋液体及其相变过程。

金沙澳门官网dkk 2

实验室里的艰难探索

图2. YbZnGaO4晶体结构图; Yb3+磁性层的俯视图; YbZnGaO4单晶和多晶直流磁化率测试结果; 0 T和9 T磁场下的磁比热测试结果; 插图为YbZnGaO4单晶样品。

量子自旋液体这一概念一经提出便吸引了众多物理学家的目光,这不仅源于其应用前景,如高温超导机理、量子计算,更因为其背后蕴含复杂深刻的物理。经过四十多年研究,人们已经取得了很多理论方面的成果,提出了多种多样的量子自旋液体的基态。实验上对量子自旋液体的探索虽然也取得了一些成果,但公认的量子自旋液体存在的实验证据仍然缺乏。这一方面是因为量子自旋液体这种新奇的物质态没有类似传统相变所对应的对称性破缺和序参量,另一方面是因为很多量子自旋液体候选材料无法生长高质量大尺度的单晶样品,因此阻碍着人们对量子自旋液体的深入研究,使得量子自旋液体在实验上的实现仍然悬而未决。

随后,该合作团队用高质量的YbZnGaO4单晶 [如图 2 插图所示]进行了中子散射的测量。在弹性中子散射中他们发现材料不具有长程的磁有序。在非弹性中子散射中发现了如图3所示的沿着布里渊区边界连续分布的很宽的激发谱,并且如图3所示,该连续谱一直到延续到带顶1.4 meV。中子散射的结果也与之前YbMgGaO4的测量结果如出一辙。

最近,一个新的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4进入了该课题研究人员的视线,这是一种准二维的三角晶格反铁磁体。在此材料中,磁化率、比热等多种手段都没有发现低温下有反铁磁有序的迹象,说明其基态是一种无序态。更有意思的是,这个体系存在很强的自旋轨道耦合,从而导致了各向异性磁相互作用,这种相互作用可以增强量子涨落从而有可能帮助形成量子自旋液体基态。经过长时间的艰苦摸索,复旦大学的研究人员利用新建成的高温高压光学浮区单晶炉成功的生长出了高质量、大尺度的单晶样品,这让深入研究该样品的微观性质成为可能。

金沙澳门官网dkk 3

自旋子:一种奇异的分数化激发

图3. 分别为实验和理论计算能量为0.6 meV的动量空间的非弹性中子散射激发谱; 分别为实验和理论计算的沿着布里渊区中M1-K-Γ1和Γ1-M2-Γ2高对称方向的色散结果图。

中子散射技术经过数十年的发展已经成为一种跨学科、多用途的成熟测量手段。中子不带电,因而可以深入到样品内部;同时中子又带自旋,因而可以探测样品的磁激发;所以非弹性中子散射是测量自旋激发的强有力手段。在过去数十年间,非弹性中子散射在高温超导等强关联电子体系等研究中起到了举足轻重的作用,做出过许多重大发现。

本文由金沙澳门官网dkk发布于产品评测,转载请注明出处:金沙澳门官网dkk南京大学温锦生教授与李建新教

关键词: