理论物理所等在Kitaev材料量子自旋液体研究中获进展

　　量子自旋液体是一种特殊的量子物质形态。1973年，P. W. Anderson提出了关于量子自旋液体的基本概念。这种物质形态的特点有：降温至零温不会发生对称性自发破缺（即不存在长程序的有序结构）；具有高纠缠度的量子态和新奇的任意子激发，在量子信息处理（如拓扑量子计算）方面具有潜在应用价值；与传统的对称破缺有序相不同，量子自旋液体具有拓扑序，描述超越了传统的Landau范式。在Alexei Kitaev提出的六角晶格模型后，科学家在理论上确认了这种新颖量子物态存在的可能性。Kitaev自旋液体不仅存在于理论模型中，而且在强自旋-轨道耦合材料中有望被实现。这引起了科学家在理论和实验方面的研究兴趣。

　　在众多材料中，a-RuCl3是备受关注的Kitaev自旋液体候选材料。它的重要特性是具有自旋-轨道量子磁性、存在键依赖的各向异性相互作用——Kitaev耦合，以及具有很好的二维性。这些特性使得a-RuCl3成为研究Kitaev相互作用诱导量子物态和阻挫效应的优秀候选材料。然而，由于实际材料的复杂性，在a-RuCl3中存在着除Kitaev相互作用之外的其他磁性相互作用，对探究量子磁性物态提出了挑战。

　　中国科学院理论物理研究所研究员李伟课题组致力于多体计算与阻挫量子磁性研究。2021年，该团队通过有限温度张量重正化群方法，解析了a-RuCl3的量子磁性“基因”（即其自旋相互作用的微观模型）发现，a-RuCl3中存在很强的Kitaev相互作用。该团队预言在35~100特斯拉高磁场下存在一个自旋液体中间相。该工作为进一步探索a-RuCl3中的新奇量子物态和阻挫效应奠定了重要的理论基础。

　　强磁场实验是在强磁场环境下探索物质的性质的实验，是极端条件下的前沿科学实验。目前，少数脉冲磁场实验室可以做到兆高斯（百特斯拉）级，即地磁场的数百万倍、通常永磁体表面磁场的数百到数千倍。近日，李伟课题组与日本东京大学国际强磁场实验室Matsuda研究组合作，利用兆高斯（100特斯拉）级的强磁场，验证了此前提出的理论预言，找到了35特斯拉和100特斯拉附近的磁场诱导量子相变的证据，支持了强磁场自旋液体在a-RuCl3中的存在（图a）。进一步，科研人员基于此前提出的理论模型，针对转角度高场实验开展了磁场-转角相图的密度矩阵重正化群计算（图b）。研究结果与最新强磁场实验定量符合（图c），支撑了a-RuCl3在强磁场中存在自旋液体中间相的结论。该工作为探索实际Kitaev材料中的自旋液体及新奇量子性质开辟了新战场。

　　9月12日，相关研究成果以Possible intermediate quantum spin liquid phase in α-RuCl3 under high magnetic fields up to 100 T 为题，在线发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和面上项目、博新计划和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。

（a）转角度高磁场磁化测量结果；（b）理论计算所采用的二维六角晶格圆柱面结构；（c）实验测量高场转角相图并与理论对照。