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The Innovation | 自旋有序相中的连续激发谱研究

量子磁体中超越朗道框架的拓扑物态和磁激发行为一直是凝聚态物理的研究热点。自旋激发连续谱长期被视为量子自旋液体的标志,但其与自由自旋子(free spinon)的关联仍有争议。自旋阻挫三角晶格磁性材料因其独特几何阻挫特性和丰富量子现象,成为重要研究对象。本文聚焦三角晶格反铁磁体Na₂BaCo(PO₄)₂,发现在其长程磁有序态中,强量子涨落也可诱导自旋激发连续谱现象。

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/ 导 读 /

自旋阻挫量子磁性材料因其独特的结构和量子特性,成为近年来凝聚态物理领域的重要研究对象。这些材料的自旋排列方式会受到几何结构的限制,导致自旋之间的相互作用无法完全满足能量最低要求,从而产生“自旋阻挫”现象。这种现象不仅增强了量子涨落效应,还可能催生出许多非常规的量子态和奇特的磁性现象,为探索新物理现象提供了理想平台。研究这些材料,不仅有助于我们理解量子力学的深层次规律,还有望为量子计算等前沿技术应用提供理论支持。

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图1 自旋超固有序态的“Y”型自旋构型以及非弹性中子散射实验观测到的连续谱激发行为


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图2 B= 0.75T时沿动量高对称点的自旋激发谱 (1/3平台相)。A-B:T = 60mK时的非弹性中子散射实验结果。C-D:线性自旋波计算得到的动力学结构因子。E-F:密度矩阵重整化计算得到的动力学结构因子


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图3 B= 0T时沿动量高对称点的自旋激发谱 (自旋超固“Y”相)。A-B:T = 60mK时的非弹性中子散射实验结果。C-D: 线性自旋波计算得到的动力学结构因子。E-F:密度矩阵重整化计算得到的动力学结构因子


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量子自旋液体(QSL)是一种高度量子纠缠且缺乏长程自旋有序的新型量子态,其核心特征之一是自旋激发的分数化行为。在具备QSL量子态的材料中,由于几何阻挫和量子涨落的作用,磁振子(magnon)会解禁闭为自旋子(spinon),并在非弹性中子散射实验中表现为自旋连续激发谱。本文的研究对象是自旋S=1/2的三角晶格反铁磁体Na2BaCo(PO4)2,其在温度150 mK左右发生反铁磁相变,进入长程磁有序态。然而,针对Na2BaCo(PO4)2的研究表明,即使是长程磁有序的反铁磁材料,也可能展现类似的连续谱特性。这一发现挑战了连续谱激发作为QSL独特标志的传统认知,拓宽了对量子磁性材料复杂动力学行为的理解。研究表明,Na2BaCo(PO4)2的连续谱并非由无序效应或解禁闭自旋子引起,而是源于长程磁有序态中强阻挫与量子涨落效应的影响。主要发现包括:


1. 确定了XXZ型自旋哈密顿量:通过计算完全极化相的线性自旋波,发现近邻主导的XXZ模型很好地描述了该体系,并通过非弹性中子散射实验中尖锐的自旋波色散排除了结构或磁无序的影响。


2. 谱权重转移:如图2所示,在1/3平台相时,非弹性中子散射实验与基于XXZ模型的密度矩阵重整化计算结果一致,表明量子涨落引起了单个磁振子色散的重整,并导致谱权重有一部分转移至双磁振子的连续谱。


3. 强烈的量子涨落与连续谱激发行为:在长程有序的自旋超固“Y”相中,非弹性中子散射实验结果显示出连续谱激发行为,与基于XXZ模型的密度矩阵重整化计算结果一致。该研究表明,体系中存在强烈的量子涨落,因而基于无相互作用的半经典磁振子框架已不再适用。

/ 总结与展望 /

该研究进一步提醒我们,在判断量子自旋液体(QSL)候选材料时,仅凭自旋激发连续谱作为确凿证据不一定可靠。传统上,源自自旋子的分数化行为,QSL材料的自旋激发连续谱被视为量子自旋液体的标志性特征。然而,随着对自旋阻挫三角晶格材料的研究深入,我们发现,即使在具有长程磁有序的系统中,也可能观察到类似的连续谱特性。这表明自旋激发的连续谱并不总是QSL的专有特征。因此,在判断QSL候选材料时,人们必须超越传统的连续谱标准,综合考虑材料的晶体结构、量子涨落效应以及磁性行为等多方面的特性。例如,三角晶格结构中的几何阻挫可以显著增强量子涨落,从而导致自旋激发呈现出与QSL类似的连续谱特性。针对这些材料的研究,以后应更多关注它们的复杂量子动力学行为,探索更广泛的量子磁性现象,为理解量子自旋液体的真正特征提供新的视角。

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责任编辑


唐高民    中国工程物理研究院

袁   翔    华东师范大学


本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第六卷第四期发表的Report文章“Continuum of spin excitations in an ordered magnet” (投稿: 2024-06-24;接收: 2024-12-11;在线刊出: 2025-01-2)。


DOI10.1016/j.xinn.2024.100769


引用格式:Sheng J., Wang L., Jiang W., et al. (2025). Continuum of spin excitations in an ordered magnet. The Innovation 6: 100769.

/ 作者简介 /

吴留锁   南方科技大学物理系副教授。2006年中国科技大学材料系本科毕业,2013年获纽约州立大学石溪分校博士学位。2013年至2015年,纽约州立大学石溪分校博士后,2015年至2018年美国橡树岭国家实验室散裂中子源博士后。主要研究兴趣包括低维量子磁体及其它新型量子材料探索。相关测量包括中子散射及极端条件下的材料基本热力学性质表征。

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期刊简介


The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


期刊官网

www.the-innovation.org

www.cell.com/the-innovation

期刊投稿(Submission):

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