SHMFF用户发现研究量子自旋液体的新理想材料

量子自旋液体是一个新奇的量子磁态：尽管相邻自旋之间强烈相互作用，但是自旋系统即使降温至绝对零度，释放出了全部熵，到达了基态，也不会发生任何的相变。近些年各种优秀的理论和计算工作层出不穷：不同的课题组对量子自旋液体可能有不同的看法。究竟如何从实验上断定一个自旋系统的基态是否为量子自旋液体？尽管这个问题还一直没有解决，但是它的研究对于整个凝聚态物理意义重大，其研究进展也被广泛地关注。尽管其理论和实验研究均取得明显进展，然而以前报道过的优秀自旋液体备选材料都或多或少存在各种“不够理想的因素”，这些或者直接制约了对材料的进一步研究，或者导致研究陷入严重的分歧。

　　中国人民大学物理系李岳生和张清明课题组，与复旦大学物理系教授陈岗理论合作，与中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心及复旦大学进行ESR，He3-SQUID，低温XRD，稀释制冷机低温比热的实验合作，首次成功推出一个全新的研究量子自旋液体的理想材料YbMgGaO4：该材料具有R-3m高对称空间群，具有完美的三角格子；其内部的磁性杂质的含量不超过0.04%，完全可以忽略；非对称各向异性的DM相互作用从晶体对称性上是完全禁戒的；相对于层内近邻相互作用，层间相互作用可以忽略；通过光学浮区炉技术，很容易生长出高质量的大单晶；非磁性的对照材料LuMgGaO4一样也容易获得：可以利用其得到精确的YbMgGaO4磁比热（核磁矩的贡献也可以一并扣除：核磁矩比热主要来源于Ga核）；Kramers稀土离子Yb3+在低温下带1/2有效自旋，并且具有强烈的自旋-轨道耦合；单位原胞包含奇数个电子；材料绝缘程度极高。这些自然的优点注定该自旋系统的基态“不可能太平庸”，同时科研人员预见其将激起大量的相关实验研究。

　　科研人员通过各种极低温测量手段来探索YbMgGaO4的基态性质。实验结果材料具有~4K的反铁磁交换相互作用，但是一直降到60mK也没有从热力学测量上观测到任何相变，甚至到60mK自旋系统的熵已经接近于零（<0.6%），表明系统的基态应该至少是完全无序的。低温磁化率和比热随温度变化规律表明该系统的低能激发是零能隙的（<J/100）。极低温比热随温度呈幂指数函数变化，幂指数接近2/3，与理论预言的U(1)费米量子自旋液体一致。通过单晶磁化率，ESR实验进一步定量分析出有效1/2自旋系统的Hamiltonian。结合现有的数值计算研究结果，科研人员推断出观测到的无序基态极可能与近邻的各向异性的自旋相互作用(J±±和JZ±)有关。相关研究成果分别发表在Sci. Rep. 5, 16419 (2015)和Phys. Rev. Lett. 115, 167203 (2015)上。