三維量子自旋液體動力學行為研究中取得進展

量子自旋液體是存在於量子阻挫磁性材料中的一種新型物質形態，其新奇之處在於量子自旋液體中的可以衍生出帶有拓撲性質的分數化元激發，這些元激發往往具有一些非同尋常的物理性質。然而，由於其強關聯、非微擾的特徵，目前理論上對這些拓撲元激發的動力學特性認識甚少。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凝聚態理論與材料計算重點實驗室副研究員萬源、孟子楊與中國科學技術大學教授鄧友金、研究生黃春炯合作，結合大規模量子蒙特卡洛模擬和量子場論的分析，在量子自旋液體動力學的理論研究上取得進展。

研究人員結合數值模擬和理論分析，研究了量子自旋冰中拓撲元激發的動力學行為。量子自旋冰（如圖1所示）是一類典型的三維量子自旋液體，其中的拓撲元激發包含衍生光子和自旋子。衍生光子的物理性質類似於量子電動力學中的光子，而自旋子則類似於電荷。他們運用大規模量子蒙特卡洛和隨機解析延拓的方法，首次直接定量刻畫了一個模型自旋冰體系中這兩類元激發的動力學特徵（如圖2所示）。在自旋激發譜函數這一實驗可觀測量中，衍生光子表現為無能隙的共振模式，而自旋子表現為有能隙且彌散的連續譜。這二者均直接證實了此前唯象場論的定性預言，而且可以直接和中子散射和核磁共振等實驗結果進行直接對比。該研究的數值計算和理論分析的結果，對目前正在快速發展之中的阻挫磁體和量子自旋液體、量子自旋冰等領域的相關實驗工作具有指導意義。

相關工作發表在最近一期的《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 120, 167202 (2018))。該研究得到了科技部重點研發計劃，國家自然科學基金委項目以及中科院先導培育項目的支持。量子蒙特卡洛模擬所需的大規模的並行計算在物理所量子模擬科學中心和天津國家超算中心天河1號平台上完成，計算過程得到了天津國家超算中心博士孟祥飛、工程師趙洋等人的大力支持。

Fig.1. (a) 燒綠石晶格的量子自旋冰模型。a1, a2, a3 顯示自旋冰中的有能隙的自旋子（spinon）激發的產生過程。（b）自旋冰模型的比熱和熵隨著溫度的依賴關係。從高溫到低溫，系統經歷高溫時的順磁態、中間溫度的經典自旋冰態和低溫下的量子自旋冰態。衍生光子的激發存在於在量子自旋冰之中。

Fig.2 (a),(b) 量子蒙特卡洛和隨機解析延拓嚴格計算所得的量子自旋冰中的衍生光子激發譜。（a"）,（b"）為唯象理論中的衍生光子譜。（c),（d）量子蒙特卡洛和隨機解析延拓嚴格計算所得的量子自旋冰中自旋子的激發譜。（c"）,(d")為唯象理論中的自旋子譜。

來源：中國科學院物理研究所

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