量子自旋液體是一種特殊的量子物質(zhì)形態(tài)。量子自旋液體的基本概念最早由P. W. Anderson于1973年提出。這種物質(zhì)形態(tài)具有如下特點(diǎn)：降溫至零溫不會(huì)發(fā)生對(duì)稱性自發(fā)破缺，即不存在長(zhǎng)程序的有序結(jié)構(gòu)；具有高糾纏度的量子態(tài)和新奇的任意子激發(fā)，在量子信息處理如拓?fù)淞孔佑?jì)算方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；與傳統(tǒng)的對(duì)稱破缺有序相不同，量子自旋液體具有拓?fù)湫?，其描述超越了傳統(tǒng)的Landau范式。在Alexei Kitaev提出的六角晶格模型后，科學(xué)家在理論上確認(rèn)了這種新穎量子物態(tài)存在的可能性。Kitaev自旋液體不僅僅存在于理論模型，在強(qiáng)自旋-軌道耦合材料中也有望被實(shí)現(xiàn)，故在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面均引發(fā)了科學(xué)家的研究興趣。

在眾多材料中，a-RuCl₃是備受關(guān)注的Kitaev自旋液體候選材料。a-RuCl₃具備自旋-軌道量子磁性，存在鍵依賴的各向異性相互作用——Kitaev耦合，并具有很好的二維性。這些特性使得a-RuCl₃成為研究Kitaev相互作用誘導(dǎo)量子物態(tài)和阻挫效應(yīng)的優(yōu)秀候選材料。然而，由于實(shí)際材料的復(fù)雜性，a-RuCl₃存在除Kitaev相互作用之外的其他磁性相互作用，這挑戰(zhàn)了科學(xué)家對(duì)其中量子磁性物態(tài)的理解。

中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員李偉課題組致力于多體計(jì)算與阻挫量子磁性研究。2021年，課題組通過(guò)自主發(fā)展的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(fā)現(xiàn)了其中存在很強(qiáng)的Kitaev相互作用，并進(jìn)一步預(yù)言了在35-100特斯拉高磁場(chǎng)下存在一個(gè)自旋液體中間相。該進(jìn)展為進(jìn)一步探索a-RuCl₃中的新奇量子物態(tài)和阻挫效應(yīng)奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)開(kāi)展探索的實(shí)驗(yàn)，是極端條件下的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)。目前，國(guó)際上少數(shù)先進(jìn)的脈沖磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室可以做到兆高斯（百特斯拉）級(jí)，即地磁場(chǎng)的數(shù)百萬(wàn)倍、通常永磁體表面磁場(chǎng)的數(shù)百到數(shù)千倍。近日，李偉課題組與日本東京大學(xué)國(guó)際強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室Matsuda研究組合作，利用兆高斯（100特斯拉）級(jí)的強(qiáng)磁場(chǎng)，驗(yàn)證了此前提出的理論預(yù)言，找到了35特斯拉和100特斯拉附近的磁場(chǎng)誘導(dǎo)量子相變的證據(jù)，支持了強(qiáng)磁場(chǎng)自旋液體在a-RuCl₃中的存在（圖a）。進(jìn)一步，李偉和博士研究生李涵（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所博士后）基于此前提出的理論模型，針對(duì)轉(zhuǎn)角度高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了磁場(chǎng)-轉(zhuǎn)角相圖的密度矩陣重正化群計(jì)算（圖b）。結(jié)果與最新強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)定量符合（圖c），支撐了a-RuCl₃在強(qiáng)磁場(chǎng)中存在自旋液體中間相的結(jié)論。該工作為探索實(shí)際Kitaev材料中的自旋液體、研究其新奇量子性質(zhì)開(kāi)辟了新戰(zhàn)場(chǎng)。

相關(guān)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(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、博新計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等的支持。東京大學(xué)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室等的科研人員參與研究。

論文鏈接

（a）轉(zhuǎn)角度高磁場(chǎng)磁化測(cè)量結(jié)果；（b）理論計(jì)算采用的二維六角晶格圓柱面結(jié)構(gòu)；（c）實(shí)驗(yàn)測(cè)量高場(chǎng)轉(zhuǎn)角相圖并與理論對(duì)照。