量子自旋液體是一種即使在零溫下也不會(huì )發(fā)生對稱(chēng)性自發(fā)破缺的量子物質(zhì)形態(tài)，其基本概念最早由諾貝爾獲得者 P. W. Anderson 在1973年提出。之后，人們嘗試利用自旋液體來(lái)解釋高溫超導的現象。近年來(lái)，隨著(zhù)實(shí)驗上大量阻挫量子自旋材料的出現，找到具有自旋液體基態(tài)的材料變得越來(lái)越有可能。從實(shí)驗和理論兩個(gè)方面，量子自旋液體已成為凝聚態(tài)物理學(xué)量子多體問(wèn)題研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。
Kagome 晶格作為一種強阻挫晶格，是實(shí)現量子自旋液體的理想模型。但對于一般的反鐵磁海森堡模型，由于存在符號問(wèn)題，人們無(wú)法利用量子蒙特卡洛方法數值研究系統基態(tài)的行為。2002年，Balents、Fisher 和 Girvin 三位物理學(xué)家提出的所謂的 BFG 模型是一類(lèi)可以實(shí)現量子自旋液體的模型，且該模型沒(méi)有符號問(wèn)題，可以展開(kāi)大規模的量子蒙特卡洛研究，人們對于該模型取得了很多研究成果，尤其是零磁矩的情況。但如果對該模型加上一個(gè) Zeeman 場(chǎng)，調節至1/6平均磁矩的時(shí)候，該系統是量子自旋液體，還是對稱(chēng)性破缺的條紋固體序，尚存在爭議。
近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士后王艷成（已出站，現任教于中國礦業(yè)大學(xué)）、副研究員孟子楊，與重慶大學(xué)研究員張學(xué)鋒、德國馬普學(xué)會(huì )教授 Frank Pollmann 、耶魯大學(xué)助理教授程蒙等組成的研究團隊，利用大規模的量子蒙特卡洛數值方法對基于 BFG 模型的阻挫磁性系統在1/6平均磁矩下的情況展開(kāi)了細致的研究，給出了該模型的詳細相圖，從理論和數值上證實(shí)存在一種新的超越 Lieb- Schultz-Mattis-Oshikawa-Hastings（LSMOH）理論框架的量子自旋液體，其性質(zhì)可用偶數伊辛規范場(chǎng)理論描述。計算發(fā)現，該量子自旋液體到鐵磁序的相變行為屬于自旋子（spinon）凝聚有關(guān)的一類(lèi)特殊的三維\(XY^{*}\)相變普適類(lèi)。該研究擴展了 Kagome 晶格上可能存在的量子自旋液體基態(tài)的范圍，且這種超越 LSMOH 理論預言的量子自旋液體通往其他對稱(chēng)性破缺相的相變過(guò)程對應于新型分數化任意子（anyon）凝聚，擴展了人們對于任意子凝聚行為的理解。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項培育項目的資助。量子蒙特卡洛模擬所需的大規模的并行計算在物理所量子模擬科學(xué)中心和天津國家超算中心天河1號平臺上完成，計算過(guò)程中得到了天津國家超算中心博士孟祥飛、工程師趙洋等的支持。
圖1.（a）Kagome晶格以及不同格點(diǎn)間的自旋相互作用；（b）Kagome晶格的倒格矢及其第一布里淵區；（c）擴展BFG模型在1/6 平均磁矩下的相圖。ST（staggered solid）：交錯固體相，SS（stripped solid）：條紋固體相，FM (ferromagnet)：鐵磁相，SL(quantum spin liquid）：量子自旋液體相。
圖2。（a）自旋剛度（spin stiffness）在自旋液體（SL）到鐵磁序（FM）相變點(diǎn)附近的數據跌落，其中，臨界指數 υ 是三維XY普適類(lèi)的臨界指數；（b）等時(shí)自旋-自旋關(guān)聯(lián)函數\(G(r)=\left \langle S_{0}^{ }S_{r}^{-} \right \rangle\)隨距離 r 的變化關(guān)系。在雙對數坐標下，\(G(r)\sim r^{-(1 \eta )}\)，其中反常維度 η=1.53(4)，遠大于普通的三維 XY 的反常維度0.04。因此該相變屬于一類(lèi)特殊的三維\(XY^{*}\)普適類(lèi)。
來(lái)源：中國科學(xué)院物理研究所
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