六角晶格上的Kitaev類型自旋液體理論研究取得重要進(jìn)展
近日，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系劉正鑫副教授組與瑞士保羅謝勒研究所的Bruce Normand研究員合作，在六角晶格上的擴(kuò)展Kitaev模型中發(fā)現(xiàn)一種新型無能隙的自旋液體相，被稱為“鄰Kitaev自旋液體”(Proximate Kitaev Spin Liquid,以下簡(jiǎn)稱PKSL，如圖1所示)。這種新的自旋液體中的自旋子激發(fā)形成14個(gè)Majorana錐形，在磁場(chǎng)誘導(dǎo)下能實(shí)現(xiàn)兩種大陳數(shù)的手征自旋液體。由于模型與實(shí)際材料密切相關(guān)，該研究對(duì)于實(shí)驗(yàn)上制備材料實(shí)現(xiàn)各種不同的自旋液體相具有重要的指導(dǎo)意義。該論文以“One Proximate Kitaev Spin Liquid in the K-J-Γ Model on the Honeycomb Lattice ”為題發(fā)表于2019年11月Phys. Rev. Lett.第123期，我系博士生王久才為第一作者[1]。
??
??? ? ? ? ? ? ? 圖1. K-J-Γ模型的相圖，其中紅色區(qū)域?yàn)樾滦偷腜KSL相
由于零溫度下不發(fā)生對(duì)稱性自發(fā)破缺，量子自旋液體是超越朗道理論的新奇物態(tài)并極大地豐富了人們對(duì)物質(zhì)態(tài)及其相變的認(rèn)識(shí)。量子自旋液體的研究對(duì)建立統(tǒng)一描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中拓?fù)湫蚝土孔有虻哪蹜B(tài)物理新范式具有十分重要的推動(dòng)作用。因此，尋找不同的自旋液體相成為理論和實(shí)驗(yàn)研究的重要內(nèi)容。六角格子上Kitaev自旋模型[2]是基態(tài)明確為量子自旋液體的為數(shù)不多的自旋模型之一，近年來受到廣泛的關(guān)注。Kitaev模型中的無能隙相具有Majorana類型的無能隙的元激發(fā)，在磁場(chǎng)下能打開能隙并形成非阿貝爾手征自旋液體，在拓?fù)淞孔佑?jì)算中有可觀的應(yīng)用前景。Kitaev自旋液體的材料實(shí)現(xiàn)是近年來活躍的實(shí)驗(yàn)研究方向。盡管具有強(qiáng)自旋軌道偶爾的過渡金屬（如Na2IrO3 和α-RuCl3）可實(shí)現(xiàn)Kitaev型相互作用，然而這些候選材料極低溫下呈現(xiàn)zigzag反鐵磁序，表明材料還含有其他類型的相互作用。例如斜對(duì)角的對(duì)稱交換相互作用(Γ項(xiàng))或者Heisenberg交換相互作用(J項(xiàng))[3]。這些相互作用之間互相競(jìng)爭(zhēng)會(huì)出現(xiàn)什么后果？基態(tài)相圖是否存在多種不同的自旋液體相？
以此為動(dòng)機(jī)，博士生王久才等人基于自旋的費(fèi)米子表象和Gutzwiller投影波函數(shù)使用變分蒙特卡洛的方法系統(tǒng)的研究了六角格子K-J-Γ模型并給出了量子相圖。除了已知的Kitaev自旋液體(以下簡(jiǎn)稱KSL)相和經(jīng)典的磁有序相，相圖中出現(xiàn)新的量子態(tài) --- 鄰Kitaev自旋液體(PKSL)，它與Kitaev自旋液體具有相同的投影對(duì)稱群(PSG), 卻具有非常不同的物理性質(zhì)。PKSL的自旋子譜含有14個(gè)Majorana錐[見圖2(b)(d)]，而KSL中只有2個(gè)[見圖2(a)]。動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)因子表明， PKSL的自旋響應(yīng)是無能隙的[見圖2(e)(f)]，而KSL的自旋響應(yīng)是有能隙的。這兩個(gè)量子自旋液體相通過一級(jí)相變聯(lián)系起來的[如圖2(c)所示]。
??圖2.? (a)KSL的自旋子色散；(b)PKSL自旋子色散；(c)兩者間相變；(d)PKSL中cone的位置；
(e)(f) PKSL低能動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)因子
這些都說明PKSL是一個(gè)區(qū)別于KSL的非常新奇的量子態(tài)。特別地，PKSL在磁場(chǎng)具有豐富的物理響應(yīng)。如圖3所示，在磁場(chǎng)大到進(jìn)入自旋極化相以前，相圖中出現(xiàn)兩個(gè)大陳數(shù)的手征自旋液體相，分別對(duì)應(yīng)于較小磁場(chǎng)(ν=5，非對(duì)易自旋液體)和較大磁場(chǎng)(ν=4對(duì)易自旋液體)的情形。 不同陳數(shù)的手征自旋液體可以通過熱霍爾實(shí)驗(yàn)來有效地區(qū)分。
??
??? ? ? ? ? ? ? ? ? ???圖3. PKSL在磁場(chǎng)下的相圖
該理論為Kitaev材料相關(guān)的模型進(jìn)一步理論和數(shù)值研究提供了重要的參考，并且為尋找新型的Kitaev材料提供了理論線索。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)人民大學(xué)研究基金的支持。
??[1]. J. Wang, B. Normand and Z.-X. Liu, Phys. Rev. Lett. 123, 197201 (2019).
[2]. A. Kitaev, Ann. Phys. 321, 2 (2006).
??[3]. W. Wang, Z.-Y. Dong, S.-L. Yu, and J.-X. Li, Phys. Rev. B 96, 115103 (2017).
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com