中國科學院理論物理研究所（以下簡稱理論物理所）研究員李偉團隊與合作者創新利用有限溫度張量網絡方法，首次研究了三角晶格易軸反鐵磁海森堡模型的自旋塞貝克效應，預言其中存在自旋流符號的反轉以及低溫下不“衰減”的超自旋流。這一理論發現為實驗上直接探測量子自旋超固態的關鍵輸運特征提供了清晰可行的方案。相關研究成果于12月5日發表于《物理評論快報》。
超固態是一種在接近絕對零度時涌現出的新奇量子物態，在保持固體的長程有序性質的同時，還具有超流性質。自旋超固態則是超固態的量子磁性實現。
2024年1月，李偉團隊與合作者在鈷基三角晶格磁性晶體中首次發現量子自旋超固態存在的實驗證據。這一發現，引起了自旋電子學領域的國際著名專家、日本理化學研究所教授前川禎通的關注。當年4月，前川禎通訪問理論物理所，與李偉團隊就自旋超固態議題進行深入探討，并開啟了后續合作研究。
討論中，李偉向前川禎通請教，如何直接探測反映自旋超固態超流動性的宏觀量子輸運性質？前川禎通建議可以從自旋塞貝克效應的角度做一些計算。自旋塞貝克效應指的是由溫度梯度驅動產生縱向自旋流的現象。
該研究第一作者、博士生高源（理論物理所-北航聯合培養）在討論結束后，立即嘗試計算。他利用原始公式計算自旋塞貝克效應，嘗試計算有限溫度三角晶格系統的自旋動力學。大約兩個月后，高源發現這一計算非常具有挑戰性，很難精確實現。但他沒有放棄，而是嘗試找方法把“難點”繞過去。
關鍵的轉變在于一個“細致的觀察”，高源通過改變公式中積分的核函數，巧妙地繞開了實時間演化與自旋動力學的計算。隨后高源與導師李偉開展系統研究，提出了一種基于虛時間近似的張量網絡算法，可以精確高效地計算低溫下量子磁體的自旋塞貝克效應。
高源介紹，他們把該方法與原始公式在一維系統中做了詳盡的對比計算，在低溫下獲得了一致的溫度依賴行為。基于這一新方法，他們對三角晶格易軸反鐵磁海森堡模型進行了研究。計算所得的自旋流結果精確符合已知的磁場—溫度相圖；進而，他們首次預言了自旋超固相內的獨特自旋輸運性質。這不僅有力驗證了算法本身的可靠性，也為實驗探測這一量子物態提供了具體可行的理論方案。
“在這個過程中，我們意識到，自旋超固態的自旋塞貝克效應強，那么相應其逆效應也強，而這個逆效應可以用來實現極低溫制冷。”李偉告訴《中國科學報》，極低溫制冷廣泛應用于量子科技、空間探測、量子物質、大科學裝置等國家安全和高技術領域。近期，他們正圍繞這一國家需求，開展系統化的基礎研究，希望為極低溫固態制冷提供新方案。
該研究從想法的醞釀，反復計算和深入研究，到最終發表經過了一年半的時間，而投稿到被接受發表僅用了4個月。審稿人認為這一工作發展了一種具有廣泛適用性的計算方法，能夠抓住問題的量子多體本質。
“該研究屬于自旋電子學和量子磁性兩個領域的交叉。”李偉說，以自旋超固態為代表的阻挫磁體有獨特的低能磁激發，為實現極低溫區的高效熱-磁-電能量轉換提供了理想平臺。通過研究其自旋塞貝克及帕爾貼等多體效應，能夠揭示基于新奇量子物態的能量轉換新機理，從而為自旋熱電子學開辟低溫新方向。“目前，實驗團隊正基于我們的理論研究開展驗證，我們非常期待他們的結果。”
相關論文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t25p-x319