近日，大湾区大学（筹）物质科学学院盛洁明团队通过与浙江大学物理学院关联物质研究中心汪臻涛研究员团队、南方科技大学物理系吴留锁副教授团队、梅佳伟副教授团队等国内外学者合作，在三角晶格自旋阻挫量子磁性材料Na?BaCo(PO?)?的研究中取得最新进展，在磁有序相中观测到了自旋激发连续谱。相关研究成果以“Continuum of spin excitations in an ordered magnet”为题发表在《The Innovation》上。
自旋阻挫量子磁性材料因其独特的结构与量子特性，近年来成为凝聚态物理研究的热点。这些材料的自旋排列方式会受到几何结构的限制，导致自旋之间的相互作用无法完全满足能量最低要求，从而产生“自旋阻挫”现象。这种现象不仅增强了量子涨落效应，还可能催生出许多非常规的量子态和奇特的磁性现象，为探索新物理现象提供了理想平台。其中，量子自旋液体（QSL）是一种高度量子纠缠且缺乏长程自旋有序的新型量子态，其核心特征之一是自旋激发的分数化行为。在具备QSL量子态的材料中，由于几何阻挫和量子涨落的作用，磁振子（magnon）会解禁闭为自旋子（spinon），并在非弹性中子散射实验中表现为自旋连续激发谱。这些长程纠缠并遵循特殊统计规律的自旋子，被认为在拓扑量子计算中有潜在的应用。因此研究这些新奇的自旋量子态，不仅有助于我们理解量子力学的深层次规律，还有望为量子计算等前沿技术应用提供理论支持。
图1: B= 0.75T时沿动量高对称点的自旋激发谱 (1/3平台相)。 A-B：T = 60mK时的非弹性中子散射实验结果。C-D：线性自旋波计算得到的动力学结构因子。E-F：密度矩阵重整化计算得到的动力学结构因子。
图2: B= 0T时沿动量高对称点的自旋激发谱 (自旋超固“Y”相)。 A-B：T = 60mK时的非弹性中子散射实验结果。C-D： 线性自旋波计算得到的动力学结构因子。E-F：密度矩阵重整化计算得到的动力学结构因子。
本文的研究对象是自旋S=1/2的三角晶格反铁磁体Na2BaCo(PO4)2，其在温度150 mK左右发生反铁磁相变，进入长程磁有序态。然而，针对Na2BaCo(PO4)2的研究表明，即使是长程磁有序的反铁磁材料，也可能展现类似的自旋激发连续谱特性。这一发现挑战了连续谱激发作为QSL独特标志的传统认知，拓宽了对量子磁性材料复杂动力学行为的理解。研究表明，Na2BaCo(PO4)2的连续谱并非由无序效应或解禁闭自旋子引起，而是源于长程磁有序态中强阻挫与量子涨落效应的影响。主要发现包括：
1. 确定了XXZ型自旋哈密顿量：通过计算完全极化相的线性自旋波，发现近邻主导的XXZ模型很好地描述了该体系，并通过非弹性中子散射实验中尖锐的自旋波色散排除了结构或磁无序的影响。
2. 谱权重转移：如图1所示，在1/3平台相时，非弹性中子散射实验与基于XXZ模型的密度矩阵重整化计算结果一致，表明量子涨落引起了单个磁振子色散的重整，并导致谱权重有一部分转移至双磁振子的连续谱。
3. 强烈的量子涨落与连续谱激发行为：在长程有序的自旋超固“Y”相中，非弹性中子散射实验结果显示出连续谱激发行为，与基于XXZ模型的密度矩阵重整化计算结果一致。该研究表明，体系中存在强烈的量子涨落，因而基于无相互作用的半经典磁振子框架已不再适用。
该研究进一步提醒我们，在判断量子自旋液体（QSL）候选材料时，仅凭自旋激发连续谱作为确凿证据不一定可靠。传统上，源自自旋子的分数化行为，QSL材料的自旋激发连续谱被视为量子自旋液体的标志性特征。然而，随着对自旋阻挫三角晶格材料的研究深入，我们发现，即使在具有长程磁有序的系统中，也可能观察到类似的连续谱特性。这表明自旋激发的连续谱并不总是QSL的专有特征。因此，在判断QSL候选材料时，人们必须超越传统的连续谱标准，综合考虑材料的晶体结构、量子涨落效应以及磁性行为等多方面的特性。例如，三角晶格结构中的几何阻挫可以显著增强量子涨落，从而导致自旋激发呈现出与QSL类似的连续谱特性。针对这些材料的研究，以后应更多关注它们的复杂量子动力学行为，探索更广泛的量子磁性现象，为理解量子自旋液体的真正特征提供新的视角。
大湾区大学物质科学学院盛洁明助理教授为本文的第一作者。深圳国际量子研究院王乐研究助理教授为论文的共同第一作者。南方科技大学吴留锁副教授、梅佳伟副教授，浙江大学汪臻涛研究员为论文的共同通讯作者。
该研究得到了多家国内外顶尖科研机构的大力支持。其中，中子散射实验得益于澳大利亚核子科学与技术组织（ANSTO）于德洪教授、日本质子加速器研究综合体（J-PARC）Maiko Kofu 博士提供的支持。西湖大学的朱伟教授基于XXZ模型进行了密度矩阵重整化计算。此外本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省量子科学战略专项的资助。
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00207-8
