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发现新型量子自旋液体

第一作者:冯子力(中科院物理所)
通讯作者:石友国(中科院物理所)、郑国庆(中科院物理所)

成果简介:
量子自旋液体是凝聚态物理学家追寻已久的新奇物质形态。传统的物质形态可以用能带理论和对称性自发破缺理论来描述,而自旋液体做为没有对称性破缺的量子物质形态需要用新的理论框架来描述。这个新框架下的重要概念是拓扑序,它是讨论诸如分数量子霍尔效应以及量子自旋液体的语言。不同的拓扑序体现了自旋液体这类量子多体系统中不同程度的量子纠缠,系统也因此遵从既不同于玻色-爱因斯坦也不同于费米狄拉克形式的分数统计。通过引入载流子,自旋液体材料有可能形成新的非传统超导体。由于拓扑序的稳定性和纠缠性,自旋液体材料还有望成为实现拓扑量子计算的材料基础。


最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验研究团队成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr,该材料具有 Kagome(笼目)晶格的阻挫磁体材料,具有强反铁磁相互作用(J~17 meV),然而极低温下(50mk)热力学测量没有观测到任何磁性长程序形成。实验结果表明Cu3Zn(OH)6FBr是Kagome 晶格量子自旋液体的新的代表性系统。通过19F的NMR测量,研究团队确定了有能隙的1/2自旋的自旋子激发。


有能隙的量子自旋液体,并且具有1/2自旋的spinon 元激发,是Z2类型(即Toric code) 拓扑序的量子自旋液体的确定性信号。这是在具体材料中观察到 Z2拓扑序量子自旋液体的第一个确定性例子。这项成果一经发表,便受到了国际同行的广泛关注,Herbertsmithite 的合成人,Stanford 大学的 Young Lee 教授反复在各个重要学术会议中介绍(包括2017 Gorden Conference on Topological and Correlated Matter, 2017 KITP Conference on Order, Fluctuations, and Strong Correlations: New Platforms and Developments)。拓扑序理论的创始人麻省理工学院的文小刚教授,也应邀为这项成果专门撰文评价(Chin. Phys. Lett. 34 (9) (2017))。文小刚教授对于这项工作的重要性有如下的描述: Just like the direct discovery of fractional charge, the discovery of a totally new fractionalized neutral spin-1/2 excitation is a very exciting result. (正如在量子分数霍尔效应中直接观测到分数化的电荷,直接观测到电中性且具有分数化自旋1/2的激发,是十分令人振奋的结果)。研究团队对于Cu3Zn(OH)6FBr的后续实验观测和理论计算,正在逐步深入下去。


团队介绍:
中科院物理所EX01组冯子力研究生、石友国研究员成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr。 中科院物理所郑国庆研究组(SC09组)的李政副研究员展开了核磁共振研究。这项工作是一个理论和实验通力合作的典型例子:南方科技大学梅佳伟助理教授,物理所 SC08组李世亮研究员;T03组孟子杨副研究员,复旦大学李世燕教授以及清华大学刘峥副研究员参加组成了研究团队。


参考文献:
Zili Feng et al., Chin. Phys. Lett. 34, 077502 (2017)

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/34/7/077502 

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