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  • 1 # 飛賊克斯和康德馬特

    凝聚態物理學家P. W. Anderson在70年代研究高溫超導機理問題中提出了量子自旋液體的概念:由於電子的強關聯效應,電荷與自旋會發生分離,形成“空穴子”和“自旋子”。簡單把自旋子當做一個微觀粒子(實際上是準粒子),那麼它們之間因為相互作用強度不同也會形成不同的自旋態。如果相互作用很強,自旋子的間距是基本固定的,那麼就是自旋固態,也就是我們常見的各種磁有序態。但是如果自旋子之間相互作用比較弱,而且它們的間距可以發生變化,就形成了自旋液態。

    實現量子自旋液態體有很多種途徑,最直接的方案就是讓自旋之間相互作用難以形成一個穩定的長程式,所謂自旋阻挫。例如一個三角形的自旋格子,如果當固定其中兩個頂點的自旋,且方向互相相反時,第三個位置的自旋就“無所適從”了,和它一側自旋方向相同,必然和另一側自旋方向相反,這種狀態都是打破了三者平衡,不是一個穩定的組態。在這種情況下,就至少有一個自旋是處於不穩定態,那麼如果在完整三角原子晶格上,就形成了自旋液體。所以,很多時候都是在具有三角結構的材料中尋找量子自旋液體。非常著名的就是一類Kagome格子,和中國傳統的籠目非常像。

    人們尋找了大量具有Kagome結構的材料,但是一直沒有找到量子自旋液體的確切證據,主要是因為實驗測量存在許多困難,特別是實驗結果的解釋有多種可能性,量子自旋液體只是其中之一。最近,中科院物理所的團隊在Cu3Zn(OH)6FBr材料中發現Kagome 晶格量子自旋液體的證據,主要是核磁共振實驗證明它是有能隙的自旋為1/2的自旋子激發。主要證據有:該材料本身具有很強的自旋阻挫結構;在極低溫50 mK以下,該體系都不存在長程的磁有序;核磁共振對低能磁激發的研究說明該體系存在一個自旋能隙,即自旋子要激發出來需要至少付出一定的能量代價,說明自旋液體基態是可以穩定存在的;根據自旋能隙隨外磁場的變化行為,可以推斷出其自旋激發並不是常規的自旋為1的磁振子,而是自旋為1/2的自旋子。這些實驗證據說明,這個體系材料的基態很可能是Z2型別(Toric code) 拓撲序的量子自旋液體。

    著名的凝聚態理論物理學家、凝聚態拓撲理論的創立者之一,美國麻省理工的文小剛教授對這個工作評價道:“正如在量子分數霍爾效應中直接觀測到分數化的電荷,直接觀測到電中性且具有分數化自旋1/2的激發,是十分令人振奮的結果。”

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