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于偉強教授課題組在一維Ising量子相變的實驗研究中獲得重要進展

| 2019-11-18

近日,中國人民大學物理系于偉強教授課題組和俞榕教授課題組、李政道研究所吳建達課題組等多個團隊合作,首次在低磁場中發現了一維橫場Ising模型量子臨界點。該研究成果以“Quantum Criticality of the Ising-like Screw Chain Antiferromagnet SrCo2V2O8 in a Transverse Magnetic Field”為題于2019年8月發表在《物理評論快報》上。

在量子相變點附近,由于量子漲落和熱漲落相互競爭,在量子臨界區域會出現新奇的物理現象。一維橫場Ising模型作為研究量子相變最經典的模型,得到了廣泛的關注。但是在實驗上,由于鏈與鏈之間總會存在一定的耦合,一維量子臨界點經常被三維性質掩蓋。

于偉強教授課題組對準一維Ising螺旋鏈反鐵磁材料SrCo2V2O8進行了極低溫的核磁共振和磁化率的測量,研究了當磁場加在a方向([100]方向)時的量子臨界行為。實驗和理論結果表明,橫向磁場會產生了一個兩格點周期的有效交錯場,從而快速壓制反鐵磁序。當磁場增加到7T時,反鐵磁序被完全壓制,對應于系統出現了三維量子相變;而通過極低溫下核磁共振譜和磁場依賴的自旋晶格弛豫率的雙峰結構,發現在7.7T出現了第二個量子臨界點。低溫交流磁化率的掃場數據也發現7T和7.7T的兩個相變特征。通過轉變溫度和磁場的標度律(上圖所示)以及數值計算,證明了7.7T對應于一維Ising量子臨界點,并具有一維橫場Ising模型的普適性。另外,通過自旋晶格弛豫率的溫度依賴關系證明了在兩個臨界點上都是無能隙激發,而遠離臨界點處都是有能隙激發。這是借助于特殊的晶體結構和有效交錯場,首次在低磁場實現一維橫場Ising模型量子臨界點,為之后的研究開辟了一條新途徑。

中國科學院福建物質結構研究所何長振研究員團隊為該工作提供了高質量的單晶材料,李政道研究所吳建達課題組和中國人民大學俞榕教授課題組提供了重要的理論計算,復旦大學物理系殳蕾課題組提供了部分實驗支持。中國人民大學博士生崔祎為該論文第一作者,于偉強教授,吳建達教授和何長振教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金、以及中國人民大學研究基金的支持。

論文信息:Y. Cui, H. Zou, N. Xi, Z. He*, Y. X. Yang, L. Shu, G. Zhang, Z. Hu, T. Chen, R. Yu, J. Wu*, and Weiqiang Yu*, Phys. Rev. Lett. 123, 067203 (2019).