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于偉強教授課題組在α-RuCl3量子自旋液體的研究中獲得重要進展

| 2017-12-06


于偉強 教授 研究組 供稿 


近日,中國人民大學物理系于偉強教授團隊和南京大學物理學院溫錦生教授團隊共同合作,通過磁場下的多種測量手段結合,在α-RuCl3中發現了磁場誘導的自旋液體態和新奇元激發。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月發表在《物理評論快報》上.

一般磁性材料在低溫下磁矩會呈規則有序排列。而量子自旋液體態則不同: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液體一般的無序態。重要的是,一些系統雖然自旋無序排列,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算的潛在價值。同時,也有觀點認為,高溫超導電性是通過摻雜量子自旋液體演化而來的。

  

理論上認為三角或Kagome格子上的幾何阻挫能夠導致量子自旋液體。2006年,加州理工大學的A.Kitaev理論精確求解發現,具有自旋1/2的二維六角蜂窩狀格子,一類各項異性的相互作用具有嚴格的自旋液體解,被稱為Kitaev量子自旋模型。在實驗上找到這種材料具有重大意義。

近期研究發現,在α-RuCl3材料中存在Kitaev和其它相互作用,但該材料的基態為zigzag的磁有序態。為了尋找量子自旋液體,中國人民大學的于偉強教授課題組和南京大學溫錦生教授團隊對該材料進行了聯合研究。溫錦生團隊通過對磁場下的磁化率、比熱等宏觀材料性質的測量,發現隨著面內磁場的加大,磁有序態被逐漸抑制,當達到一定值以后,磁有序態消失。中國人民大學的于偉強教授課題組則進行了核磁共振實驗,通過核磁共振譜學分析,證明了高場下該材料的微觀態不具有磁有序;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與溫度的三次方正比的關系,從而支持該材料具有狄拉克色散型的無能隙費米元激發,是自旋液體的重要特征,該結果表征在上面所示的相圖。其中在7.5 T和15 T之間區域為量子自旋液體態。該研究結果加深了人們對近似Kitaev量子自旋液體的認識。中國人民大學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。該項目得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中國人民大學研究基金的支持。