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二維量子磁體中的“幽靈軟模”與KT物理研究獲進展

2020-03-18 物理研究所
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  阻挫反鐵磁體系豐富的多體效應導致新奇的量子物態與相變,不斷吸引著人們在其中探尋凝聚態物理的新效應、新規律、新方法。最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心、北京航空航天大學、復旦大學和香港大學的合作研究團隊借助張量重正化群與量子蒙特卡洛方法確認阻挫磁體材料TmMgGaO4 (TMGO)的微觀模型為量子伊辛模型,并精準確定了其微觀模型參數。據此,研究者預言磁性晶體TMGO在特定的溫度范圍內會展現出Kosterlitz-Thouless (KT) 相,此項理論工作首次在實際二維磁性晶體中預言了KT物理的存在。相關工作于2月28日以Kosterlitz-Thouless Melting of Magnetic Order in the Triangular Quantum Ising Material TmMgGaO4 為題在線發表于綜合學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications 11, 1111 (2020))。

  如圖1所示,該團隊通過指數張量重正化群計算,找到了TMGO 材料的一套正確的微觀參數,可以完美地擬合實驗觀測的磁比熱、熵曲線、磁化率、磁化曲線等諸多磁熱力學性質。

  磁性晶體TMGO可以用一個三角格子上的各向異性量子伊辛模型描述。研究發現,在該模型中存在一種基態,名為“鐘態序”(clock order,見圖2a)。另一種“條紋序態”(stripe order,圖2c)雖然在低溫下不被相互作用選擇,但可以在自旋譜的中段能量區間留下“幽靈”般的痕跡。這些幽靈在比較低的溫度下(~1 K)被大量激活,該模型在“上”臨界點Th 進入KT相,在“下”臨界點T1 轉變為鐘態序。

  超流體中的旋子(Roton)激發是非常有趣的問題,自朗道的唯象理論提出后,吸引了諸多著名物理學家來建立旋子的微觀量子理論。昂薩格指出旋子代表超流體中渦管的“幽靈”(The Ghost of a Vanished Vortex Ring);費曼認為旋子對應著量子化的渦旋運動,旋子激發譜的極小點對應著液態結構因子的極大點;較為近代的觀點認為超流體旋子激發是與鄰近的固體序競爭導致的軟模,并在冷原子實驗中被多次觀察到。利用大規模量子蒙特卡洛方法輔以隨機解析延拓,該團隊研究人員可以精準計算TMGO模型的自旋激發譜。如圖3所示,沿著布里淵區高對稱性線K-Γ-M-Γ ,在M點附近存在一個平方色散的極小點(全局來看,事實上M點是一個鞍點),與超流旋子類似,稱為自旋系統的類旋子激發。M旋子可以看成條紋反鐵磁序的殘存“幽靈”,隨溫度升高其能隙逐漸減小、軟化(圖3d)。特別地,M旋子在上KT相變點附近急劇軟化,但和通常意義下的軟模不同,并不對應某種具體的對稱性恢復,所以從這個意義上TMGO中的M旋子的確是一種奇特的“幽靈軟模”。

  該項研究為進一步深入探討二維量子磁性晶體TMGO提供了堅實的理論基礎,證明量子晶體TMGO提供了十分理想的實驗平臺,供人們研究有著豐富多體物理涌現性質的三角橫場伊辛模型 。此外,對TMGO模型的研究也展示了綜合平衡態與動力學多體計算開展精確研究關聯量子材料的新范式。以上工作的主要參與者為北京航空航天大學博士生李涵(第一作者),中科院物理所博士生廖元達(共同第一作者),復旦大學教授戚揚、中科院物理所研究員孟子楊和北京航空航天大學副教授李偉(并列為論文的通訊作者),北京航空航天大學研究生陳斌斌、曾旭濤和助理教授勝獻雷為論文的共同作者。本工作獲得科技部重點研發計劃(2016YFA0300502),中科院先導專項(XDB28000000),國家自然科學基金委項目(11574359),以及香港特別行政區研究資助局(Grant 17303019,C6026-16W)和北航卓越百人計劃、北航青年拔尖人才支持計劃等的資助。研究工作的大規模量子蒙特卡洛計算,在國家超算天津中心天河1號平臺、國家超算廣州中心天河2號平臺上進行。

圖1. 熱態張量網絡多體計算精確擬合 TMGO磁熱力學測量數據。

  圖2. (a) TMGO晶體結構及鐘態有序示意圖,(b)熱力學相圖,(c)條紋狀有序,贗自旋映射,自旋翻轉與渦旋對激發圖像。

 

  圖3. 二維自旋阻挫量子磁體 TMGO的量子多體蒙特卡洛動力譜學模擬結果。(a), (c), (d) 運用了正確的微觀模型參數。(b) 為之前工作中錯誤的參數結果,在本團隊的研究工作中得到了糾正。

打印 責任編輯:葉瑞優

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