SHMFF用戶發(fā)現(xiàn)研究量子自旋液體的新理想材料

  量子自旋液體是一個新奇的量子磁態(tài)：盡管相鄰自旋之間強烈相互作用，但是自旋系統(tǒng)即使降溫至絕對零度，釋放出了全部熵，到達(dá)了基態(tài)，也不會發(fā)生任何的相變。近些年各種優(yōu)秀的理論和計算工作層出不窮：不同的課題組對量子自旋液體可能有不同的看法。究竟如何從實驗上斷定一個自旋系統(tǒng)的基態(tài)是否為量子自旋液體？盡管這個問題還一直沒有解決，但是它的研究對于整個凝聚態(tài)物理意義重大，其研究進展也被廣泛地關(guān)注。盡管其理論和實驗研究均取得明顯進展，然而以前報道過的優(yōu)秀自旋液體備選材料都或多或少存在各種“不夠理想的因素”，這些或者直接制約了對材料的進一步研究，或者導(dǎo)致研究陷入嚴(yán)重的分歧。

　　中國人民大學(xué)物理系李岳生和張清明課題組，與復(fù)旦大學(xué)物理系教授陳崗理論合作，與中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心及復(fù)旦大學(xué)進行ESR，He3-SQUID，低溫XRD，稀釋制冷機低溫比熱的實驗合作，首次成功推出一個全新的研究量子自旋液體的理想材料YbMgGaO₄：該材料具有R-3m高對稱空間群，具有完美的三角格子；其內(nèi)部的磁性雜質(zhì)的含量不超過0.04%，完全可以忽略；非對稱各向異性的DM相互作用從晶體對稱性上是完全禁戒的；相對于層內(nèi)近鄰相互作用，層間相互作用可以忽略；通過光學(xué)浮區(qū)爐技術(shù)，很容易生長出高質(zhì)量的大單晶；非磁性的對照材料LuMgGaO₄一樣也容易獲得：可以利用其得到精確的YbMgGaO₄磁比熱（核磁矩的貢獻也可以一并扣除：核磁矩比熱主要來源于Ga核）；Kramers稀土離子Yb³⁺在低溫下帶1/2有效自旋，并且具有強烈的自旋-軌道耦合；單位原胞包含奇數(shù)個電子；材料絕緣程度極高。這些自然的優(yōu)點注定該自旋系統(tǒng)的基態(tài)“不可能太平庸”，同時科研人員預(yù)見其將激起大量的相關(guān)實驗研究。

　　科研人員通過各種極低溫測量手段來探索YbMgGaO₄的基態(tài)性質(zhì)。實驗結(jié)果材料具有~4K的反鐵磁交換相互作用，但是一直降到60mK也沒有從熱力學(xué)測量上觀測到任何相變，甚至到60mK自旋系統(tǒng)的熵已經(jīng)接近于零（<0.6%），表明系統(tǒng)的基態(tài)應(yīng)該至少是完全無序的。低溫磁化率和比熱隨溫度變化規(guī)律表明該系統(tǒng)的低能激發(fā)是零能隙的（<J/100）。極低溫比熱隨溫度呈冪指數(shù)函數(shù)變化，冪指數(shù)接近2/3，與理論預(yù)言的U(1)費米量子自旋液體一致。通過單晶磁化率，ESR實驗進一步定量分析出有效1/2自旋系統(tǒng)的Hamiltonian。結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)值計算研究結(jié)果，科研人員推斷出觀測到的無序基態(tài)極可能與近鄰的各向異性的自旋相互作用(J±±和JZ±)有關(guān)。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Sci. Rep. 5, 16419 (2015)和Phys. Rev. Lett. 115, 167203 (2015)上。