北理工教師在解禁閉量子臨界研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-05-29 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院劉錄助理教授與中國(guó)人民大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)系于偉強(qiáng)課題組和俞榕課題組、美國(guó)波士頓大學(xué) Anders W. Sandvik 課題組、中國(guó)科學(xué)院物理研究所李世亮課題組等合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文“Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2”。他們?cè)谝环N準(zhǔn)二維阻挫量子磁性材料中，借助高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、極低溫的調(diào)控和核磁共振譜學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了一種超越朗道相變理論范式的新型量子相變現(xiàn)象，即解禁閉量子臨界，并首次給出了解禁閉量子臨界點(diǎn)附近量子臨界行為的確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
量子磁性系統(tǒng)中的強(qiáng)量子漲落效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生豐富并相互競(jìng)爭(zhēng)的量子物態(tài)。近二十年來(lái)，隨著高端譜學(xué)和量子多體計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)量子磁性材料的研究成為國(guó)際上一個(gè)非?；钴S的前沿領(lǐng)域。
該論文中實(shí)驗(yàn)的載體為一種準(zhǔn)二維的自旋阻挫磁性材料，即其微觀模型中存在近鄰和次近鄰格點(diǎn)上相互競(jìng)爭(zhēng)的反鐵磁交換作用。理論認(rèn)為，自旋阻挫體系蘊(yùn)藏著量子自旋液體、自旋超固態(tài)、分?jǐn)?shù)化磁化平臺(tái)等奇異量子物態(tài)，并可能成為量子信息、量子計(jì)算和量子傳感器的載體。在強(qiáng)磁場(chǎng)、高壓等調(diào)控下，這些競(jìng)爭(zhēng)物態(tài)之間也可能發(fā)生量子相變，即由量子漲落所驅(qū)動(dòng)的基態(tài)之間的相變。如果序參量在相變處連續(xù)過(guò)渡，該相變點(diǎn)稱為量子臨界點(diǎn)：在臨界點(diǎn)附近有限溫度的一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)某些物理量表現(xiàn)出一系列隨調(diào)控參量變化的標(biāo)度行為，涌現(xiàn)出新奇的元激發(fā)并表現(xiàn)在系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為中。但研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分相變可以統(tǒng)一于基于自發(fā)對(duì)稱性破缺和重正化群的朗道相變理論框架內(nèi)。朗道相變理論是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學(xué)重要的基礎(chǔ)理論范式之一。
近年來(lái)隨著分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和量子自旋液體概念的提出，物理學(xué)家對(duì)朗道相變理論是否可以統(tǒng)一描述所有物態(tài)間的相變產(chǎn)生了疑問(wèn)，引起了強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子領(lǐng)域眾多國(guó)際知名專家的關(guān)注與研究。其中一個(gè)重要問(wèn)題是在兩種自發(fā)對(duì)稱破缺態(tài)之間是否有連續(xù)的量子相變。以磁驅(qū)動(dòng)的價(jià)鍵固體態(tài)和反鐵磁態(tài)間的相變?yōu)槔?，由于兩種態(tài)分別自發(fā)破缺了晶格平移和自旋旋轉(zhuǎn)兩種互不相容的對(duì)稱性，在朗道相變理論框架下，它們之間只能發(fā)生一個(gè)不連續(xù)的一級(jí)相變；然而在本世紀(jì)初，一些理論學(xué)家提出該相變可能是連續(xù)的，即超越朗道理論范式的解禁閉量子臨界，在其附近呈現(xiàn)出新奇的解禁閉分?jǐn)?shù)化元激發(fā)。這些理論工作為量子相變的研究打開(kāi)了一個(gè)全新的方向，然而尚缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。非常有趣的是，準(zhǔn)二維阻挫磁性材料SrCu2(BO3)2（圖一a）在壓強(qiáng)調(diào)控下，基態(tài)可能呈現(xiàn)規(guī)則的價(jià)鍵固體態(tài)，是研究?jī)r(jià)鍵固體—反鐵磁相變的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
在本工作中，李世亮課題組提供了高質(zhì)量單晶樣品。于偉強(qiáng)教授課題組運(yùn)用核磁共振譜學(xué)測(cè)試技術(shù)，結(jié)合2.4萬(wàn)大氣壓、50毫開(kāi)爾文極低溫和15特斯拉強(qiáng)磁場(chǎng)的聯(lián)合調(diào)控，在該材料中首次發(fā)現(xiàn)了解禁閉量子臨界點(diǎn)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他們首先通過(guò)高壓核磁共振譜確認(rèn)了拼板價(jià)鍵固體態(tài)，并發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的反鐵磁態(tài)（圖一b）。這是首次在該材料中通過(guò)多場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)并確認(rèn)了價(jià)鍵固體-反鐵磁的量子相變。
圖1 a：SrCu2(BO3)2材料的原子結(jié)構(gòu)；b：2.1萬(wàn)大氣壓下磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的價(jià)鍵固體態(tài)（PS）——反鐵磁態(tài)（AFM）的量子相變相圖；c：2.4萬(wàn)大氣壓下核磁共振自旋晶格弛豫率1/T1呈現(xiàn)的量子臨界標(biāo)度行為。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該相變是一個(gè)弱一級(jí)相變（圖一 b），兩邊的相變溫度表現(xiàn)出和磁場(chǎng)依賴關(guān)系的對(duì)偶性；其轉(zhuǎn)變溫度僅約70毫開(kāi)爾文，遠(yuǎn)低于兩種態(tài)在遠(yuǎn)離相變點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有序化的溫度，因而接近零溫極限下的連續(xù)量子相變。他們進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的元激發(fā)性質(zhì)進(jìn)行研究，在2.4萬(wàn)大氣壓的相變點(diǎn)附近觀測(cè)到了核磁共振自旋晶格弛豫率 1/T1 符合量子臨界冪率標(biāo)度行為（圖一c）。臨界標(biāo)度行為的出現(xiàn)，是系統(tǒng)接近量子臨界點(diǎn)的又一證據(jù)。在通常的反鐵磁相中，低能激發(fā)為帶整數(shù)自旋的自旋波，相變點(diǎn)的1/T1 對(duì)應(yīng)的臨界冪率指數(shù)幾乎為零。然而，這里實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)了冪律指數(shù)約為0.2，是系統(tǒng)中存在低能分?jǐn)?shù)化自旋激發(fā)的重要?jiǎng)恿W(xué)特征。
同時(shí)，劉錄與俞榕課題組、Anders W. Sandvik 課題組通過(guò)相關(guān)數(shù)值模擬和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在該類相變點(diǎn)附近的價(jià)鍵固體（Z2對(duì)稱破缺）與反鐵磁（U(1)對(duì)稱破缺）序參量遵循增強(qiáng)的O(3) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性（圖二a-d）。綜上所述，兩種相的對(duì)偶性和異常低的相變溫度、相變點(diǎn)附近的奇異量子臨界行為，以及增強(qiáng)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性清晰表明該相變鄰近一個(gè)解禁閉量子臨界點(diǎn)。
需要說(shuō)明的是，解禁閉量子臨界現(xiàn)象伴隨著分?jǐn)?shù)化元激發(fā)、演生規(guī)范場(chǎng)、增強(qiáng)的連續(xù)對(duì)稱性、貝里相位的連續(xù)變化等一系列奇異和相互糾纏的性質(zhì)，并且與量子自旋液體、高溫超導(dǎo)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)湮飸B(tài)等有著深刻的聯(lián)系。本工作為解禁閉量子臨界的存在提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)為阻挫量子磁性與量子臨界的研究注入了新的活力，預(yù)期對(duì)凝聚態(tài)物理新范式的建立起到促進(jìn)作用。
該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、北京理工大學(xué)青年研究經(jīng)費(fèi)和中國(guó)人民大學(xué)科研經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。北京理工大學(xué)劉錄助理教授為本文的共同第一作者。
圖2 a：理論相圖；b-d：理論模型中價(jià)鍵固體序參量分別在價(jià)鍵固體態(tài)、相變點(diǎn)與反鐵磁相中的分布，其中相變點(diǎn)處的平臺(tái)型分布表明系統(tǒng)存在增強(qiáng)的O(3)對(duì)稱性
論文信息：Yi Cui#, Lu Liu#, Huihang Lin#, Kai-Hsin Wu, Wenshan Hong, Xuefei Liu, Cong Li, Ze Hu, Ning Xi, Shiliang Li, Rong Yu*, Anders W. Sandvik*, Weiqiang Yu*
“Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2”
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9487
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