理論物理所等在Kitaev材料量子自旋液體研究中獲進展

　　量子自旋液體是一種特殊的量子物質形態。1973年，P. W. Anderson提出了關于量子自旋液體的基本概念。這種物質形態的特點有：降溫至零溫不會發生對稱性自發破缺（即不存在長程序的有序結構）；具有高糾纏度的量子態和新奇的任意子激發，在量子信息處理（如拓撲量子計算）方面具有潛在應用價值；與傳統的對稱破缺有序相不同，量子自旋液體具有拓撲序，描述超越了傳統的Landau范式。在Alexei Kitaev提出的六角晶格模型后，科學家在理論上確認了這種新穎量子物態存在的可能性。Kitaev自旋液體不僅存在于理論模型中，而且在強自旋-軌道耦合材料中有望被實現。這引起了科學家在理論和實驗方面的研究興趣。

　　在眾多材料中，a-RuCl3是備受關注的Kitaev自旋液體候選材料。它的重要特性是具有自旋-軌道量子磁性、存在鍵依賴的各向異性相互作用——Kitaev耦合，以及具有很好的二維性。這些特性使得a-RuCl3成為研究Kitaev相互作用誘導量子物態和阻挫效應的優秀候選材料。然而，由于實際材料的復雜性，在a-RuCl3中存在著除Kitaev相互作用之外的其他磁性相互作用，對探究量子磁性物態提出了挑戰。

　　中國科學院理論物理研究所研究員李偉課題組致力于多體計算與阻挫量子磁性研究。2021年，該團隊通過有限溫度張量重正化群方法，解析了a-RuCl3的量子磁性“基因”（即其自旋相互作用的微觀模型）發現，a-RuCl3中存在很強的Kitaev相互作用。該團隊預言在35~100特斯拉高磁場下存在一個自旋液體中間相。該工作為進一步探索a-RuCl3中的新奇量子物態和阻挫效應奠定了重要的理論基礎。

　　強磁場實驗是在強磁場環境下探索物質的性質的實驗，是極端條件下的前沿科學實驗。目前，少數脈沖磁場實驗室可以做到兆高斯（百特斯拉）級，即地磁場的數百萬倍、通常永磁體表面磁場的數百到數千倍。近日，李偉課題組與日本東京大學國際強磁場實驗室Matsuda研究組合作，利用兆高斯（100特斯拉）級的強磁場，驗證了此前提出的理論預言，找到了35特斯拉和100特斯拉附近的磁場誘導量子相變的證據，支持了強磁場自旋液體在a-RuCl3中的存在（圖a）。進一步，科研人員基于此前提出的理論模型，針對轉角度高場實驗開展了磁場-轉角相圖的密度矩陣重正化群計算（圖b）。研究結果與最新強磁場實驗定量符合（圖c），支撐了a-RuCl3在強磁場中存在自旋液體中間相的結論。該工作為探索實際Kitaev材料中的自旋液體及新奇量子性質開辟了新戰場。

　　9月12日，相關研究成果以Possible intermediate quantum spin liquid phase in α-RuCl3 under high magnetic fields up to 100 T 為題，在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金優秀青年科學基金項目和面上項目、博新計劃和中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。

（a）轉角度高磁場磁化測量結果；（b）理論計算所采用的二維六角晶格圓柱面結構；（c）實驗測量高場轉角相圖并與理論對照。