量子自旋液体指自旋存在高度的长程纠缠，在零温下也不会形成磁有序的物质态。它代表了一种新的物质量子态，其演生过程不能通过相变和序参量来进行描述。近些年，由于人们认识到量子自旋液体态极有可能与高温超导电性的微观机制相关，并且其中准粒子激发的拓扑性质可能能够促进拓扑量子计算的发展，量子自旋液体的理论研究和实验探索引起了研究人员的广泛兴趣。量子自旋液体态的实现被认为需要借助体系的量子自旋涨落和几何阻措，因此实验的相关研究往往集中在低自旋的几何阻措反铁磁体系中，例如具有反铁磁相互作用的三角格子，Kagome格子，烧绿石结构等等。

 

       在强自旋轨道耦合、晶体场和几何阻措的共同作用下，基于稀土Yb3+离子（等效自旋1/2）的三角格子体系成为了一个探索量子自旋液体的理想体系。最近，中国科学院物理研究所的张清明研究员发现，具有Yb3+离子三角格子的铜铁矿体系NaYbCh2 (Ch=O, S, Se)可能是实现量子自旋液体态的理想体系。此前，已经有比热、核磁共振、粉末中子散射等多个研究结果支持NaYbCh2的基态是量子自旋液体。然而，该体系中存在量子自旋液体态的关键特征——带有分数化自旋（S=1/2）的磁激发（自旋子，spinon），及其对应的具有特定结构的连续激发谱（spinon continuum），还未从实验上观察到。

      北京师范大学物理学系鲁兴业课题组与上海科技大学郭艳峰教授课题组、美国莱斯大学戴鹏程教授团队、香港大学陈钢教授课题组、复旦大学殳蕾教授课题组等合作，采用比热、中子和X射线散射等实验手段对该体系进行了深入研究。磁化率、比热和中子衍射的测量结果都表明温度降至40mK体系中也没有形成磁序（图1）。同时，X射线衍射精修等结果也表明该材料中离子之间的互占位比率非常低（图1）。因此，NaYbSe2是实现量子自旋液体态较为理想的材料。为了进一步确定NaYbSe2基态的性质，团队开展了单晶NaYbSe2中磁激发谱的非弹性中子散射测量，并观察到了量子自旋液体的关键特征——分数化自旋激发连续谱（图2），为该体系中量子自旋液体态的存在提供了重要实验证据。由于磁激发连续谱分布在布里渊区边界，且呈现“V”形上边界，表明该体系中可能存在自旋子费米面，结合磁比热在低温区域对温度几乎呈线性依赖这一特点以及自旋子费米面相关的理论分析，NaYbSe2的基态可能是具有自旋子费米面的量子自旋液体态。

       相关研究结果近日以“Spinon Fermi Surface Spin Liquid in a Triangular Lattice Antiferromagnet NaYbSe2”为题发表在物理类国际期刊Physical Review X上。北京师范大学物理学系2018级硕士生戴鹏玲和上海科技大学物质学院2017级硕士生张高宁为论文共同第一作者。北京师范大学物理学系鲁兴业教授、香港大学陈钢教授、上海科技大学郭艳峰教授及美国莱斯大学戴鹏程教授为本论文的共同通讯作者。北京师范大学物理学系为论文的第一单位。该工作得到了国家自然科学基金重点项目和优秀青年科学基金项目的资助。
       

 

图1 (a) NaYbSe2的晶体结构及其面内倒格子示意图。(b) 磁化率随温度的变化，低温下的居里外斯温度为-13K。

(c) 磁比热及磁熵随温度的变化。(d) 单晶X射线衍射的结构精修结果 (Na0.952Yb0.048)YbSe2。 

 

 

图2 (a, c) NaYbSe2的磁激发在[H,K,0]散射面内的投影(E=[0.5, 0.7]meV)。(b, d) NaYbSe2的磁激发沿高对称方向的分布。

 

原文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021044

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