《自然》：復旦觀測到量子自旋液體分數化激發

　　 復旦大學物理學系趙俊課題組與陳鋼課題組及合作者利用中子散射技術在量子自旋液體候選材料YbMgGaO4中首次觀測到了分數化自旋激發----完整的自旋子激發譜，這一結果為該體系中量子自旋液體態的實現提供了強有力的證據。12月5日，相關研究成果在線發表于《自然》（Nature）雜志。

　　據悉，復旦大學物理學系研究生沈瑤、李耀東、沃弘樑為該論文的前三名作者，該項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和“千人計劃”青年項目共同資助。

　　 量子自旋液體：一種全新的物質態

　　量子自旋液體是指系統中有很強的自旋關聯，但是到絕對零度都不出現磁有序的一種新的物質態。這一概念最早在1973年由現代凝聚態之父P. W. Anderson從理論上提出。Anderson在研究反鐵磁三角格子體系時，認為其基態可能是共振價鍵自旋液體態。這個概念在1987被Anderson用來解釋高溫超導機理，引起了廣泛關注。在此之后，研究者發現量子自旋液體在量子計算中也有潛在的應用前景。現在，量子自旋液體是凝聚態理論和實驗研究中的重要課題。

　　對于一般的磁性材料，在低溫下由于熱漲落的作用減弱，磁矩之間的關聯會使得系統趨向于進入一個磁有序的狀態，產生鐵磁、反鐵磁等磁有序、并且產生和這些有序相關的對稱性破缺。然而如果在這個體系中存在較強的幾何阻挫或競爭性的磁相互作用，系統無法找到一個能夠同時滿足所有磁相互作用要求的有序態，同時量子漲落使得體系能從一個態隧穿到另一個態，最終系統的基態是一個擁有無限重簡并的疊加態。于是，在這樣一個體系中，自旋并沒有固定的指向，而是一直在變化（量子疊加態），類似于一種液態的性質，量子自旋液體因此得名。

　　雖然量子自旋液體整體表現出一種無序態，但實際上這種無序態是由于無限重簡并的基態導致的，在量子自旋液體中，各個自旋是高度糾纏在一起的。高度糾纏的自旋整體上卻表現出無序性，這便是量子自旋液體真正的魅力所在。

　　另外，量子自旋液體不能用朗道相變理論來描述。按照朗道相變理論，物質從一個態相變到另外一個態必然伴隨著對稱性的變化，并且可以由一個序參量來描述該過程。然而對于量子自旋液體，從順磁態到量子自旋液體態的整個相變過程沒有對稱性的變化，相應的也無法用特定的序參量來描述。因而和常規理論手段相比較，拓撲序、規范結構等概念更加適合描述量子自旋液體及其相變過程。

　　 實驗室里的艱難探索

　　量子自旋液體這一概念一經提出便吸引了眾多物理學家的目光，這不僅源于其應用前景，如高溫超導機理、量子計算，更因為其背后蘊含復雜深刻的物理。經過四十多年研究，人們已經取得了很多理論方面的成果，提出了多種多樣的量子自旋液體的基態。實驗上對量子自旋液體的探索雖然也取得了一些成果，但公認的量子自旋液體存在的實驗證據仍然缺乏。這一方面是因為量子自旋液體這種新奇的物質態沒有類似傳統相變所對應的對稱性破缺和序參量，另一方面是因為很多量子自旋液體候選材料無法生長高質量大尺度的單晶樣品，因此阻礙著人們對量子自旋液體的深入研究，使得量子自旋液體在實驗上的實現仍然懸而未決。

　　最近，一個新的量子自旋液體候選材料YbMgGaO4進入了該課題研究人員的視線，這是一種準二維的三角晶格反鐵磁體。在此材料中，磁化率、比熱等多種手段都沒有發現低溫下有反鐵磁有序的跡象，說明其基態是一種無序態。更有意思的是，這個體系存在很強的自旋軌道耦合，從而導致了各向異性磁相互作用，這種相互作用可以增強量子漲落從而有可能幫助形成量子自旋液體基態。經過長時間的艱苦摸索，復旦大學的研究人員利用新建成的高溫高壓光學浮區單晶爐成功的生長出了高質量、大尺度的單晶樣品，這讓深入研究該樣品的微觀性質成為可能。

　　 自旋子：一種奇異的分數化激發

　　中子散射技術經過數十年的發展已經成為一種跨學科、多用途的成熟測量手段。中子不帶電，因而可以深入到樣品內部；同時中子又帶自旋，因而可以探測樣品的磁激發；所以非彈性中子散射是測量自旋激發的強有力手段。在過去數十年間，非彈性中子散射在高溫超導等強關聯電子體系等研究中起到了舉足輕重的作用，做出過許多重大發現。

　　對于傳統的磁性材料，如鐵磁體和反鐵磁體，其準粒子激發可以由自旋波或磁振子激發描述（磁振子magnon是一種零電荷且自旋為1的準粒子）；而對于量子自旋液體，其準粒子激發是分數化的自旋子激發（自旋子spinon是一種零電荷自旋為1/2的準粒子）。由于這種分數化激發的奇異性與獨特性，研究自旋子激發成為了探索量子自旋液體的必要途徑，而非彈性中子散射則恰好是測量自旋子激發的有效手段。為此，該課題研究人員利用中子散射技術對YbMgGaO4單晶樣品進行了細致的測量。

　　研究發現該樣品的磁激發并不是尖銳的自旋波（磁振子）激發，而是覆蓋了布里淵區大片區域的連續譜。這種連續譜普遍存在于整個磁激發的帶寬之內，并主要集中在布里淵區邊界，而在布里淵區中心附近信號則被壓制，從而在色散譜上形成了V字形的上邊沿。這種連續譜是自旋子激發的典型特征，由中子激發的去禁閉的自旋子對造成。進一步的理論計算表明，這種連續譜在低能具有較高的態密度，其整體形狀與自旋子費米面附近的粒子-空穴激發譜的計算結果相吻合，而和狄拉克量子自旋液體的激發譜相左。該結果也和該體系的極低溫比熱結果相吻合，說明YbMgGaO4很可能是一種具有U(1)規范場漲落的自旋子費米面量子自旋液體。

　　這項研究首次在二維三角格子體系中觀測到了完整的自旋子激發譜，這為量子自旋液體的實現提供了強有力的實驗證據，為量子自旋液體的研究注入了新的動力。審稿人對這項工作給予了高度評價：指出“數據質量非常高——比過去在Science和Nature上面發表的最好的數據都更令人信服”，并稱“對量子自旋液體的探索已經持續了四十余年，是量子材料中最深刻的問題之一，這個結果既是原創性的（original）、且非常重要（quite significant）”。

　　據介紹，該項研究的中子散射實驗在法國勞厄-郎之萬實驗室、德國亥姆霍茲中心和美國橡樹嶺國家實驗室完成，實驗過程得到了相關儀器科學家的協助。其他合作人員包括英國盧瑟福實驗室的H. C. Walker博士、中國人民大學張清明研究組、原子能院的郝麗潔研究組和美國國家標準局的L. W. Harriger博士。