于伟强 教授 研究组 供稿 

近日，中国人民大学物理系于伟强教授团队和南京大学物理学院温锦生教授团队共同合作，通过磁场下的多种测量手段结合，在α-RuCl3中发现了磁场诱导的自旋液体态和新奇元激发。该研究成果以 “Gapless Spin Excitations in the Field-Induced Quantum Spin Liquid Phase of α-RuCl3”为题于2017年12月发表在《物理评论快报》上.

一般磁性材料在低温下磁矩会呈规则有序排列。而量子自旋液体态则不同：由于竞争的相互作用，该体系电子的自旋即使在绝对零度也呈现液体一般的无序态。重要的是，一些系统虽然自旋无序排列，它们之间却存在长程的量子纠缠，因此有量子通讯及量子计算的潜在价值。同时，也有观点认为，高温超导电性是通过掺杂量子自旋液体演化而来的。

理论上认为三角或Kagome格子上的几何阻挫能够导致量子自旋液体。2006年，加州理工大学的A．Kitaev理论精确求解发现，具有自旋1/2的二维六角蜂窝状格子，一类各项异性的相互作用具有严格的自旋液体解，被称为Kitaev量子自旋模型。在实验上找到这种材料具有重大意义。

近期研究发现，在α-RuCl3材料中存在Kitaev和其它相互作用，但该材料的基态为zigzag的磁有序态。为了寻找量子自旋液体，中国人民大学的于伟强教授课题组和南京大学温锦生教授团队对该材料进行了联合研究。温锦生团队通过对磁场下的磁化率、比热等宏观材料性质的测量，发现随着面内磁场的加大，磁有序态被逐渐抑制，当达到一定值以后，磁有序态消失。中国人民大学的于伟强教授课题组则进行了核磁共振实验，通过核磁共振谱学分析，证明了高场下该材料的微观态不具有磁有序；更重要的是，在超过临界磁场后，该材料的晶格-自旋弛豫率在低温下呈现与温度的三次方正比的关系，从而支持该材料具有狄拉克色散型的无能隙费米元激发，是自旋液体的重要特征，该结果表征在上面所示的相图。其中在7.5 T和15 T之间区域为量子自旋液体态。该研究结果加深了人们对近似Kitaev量子自旋液体的认识。中国人民大学的刘正鑫副教授及瑞士保罗谢勒研究所的Bruce Normand研究员提供了重要理论支持。该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国人民大学研究基金的支持。

发表文章: J. Zheng, K. Ran, T. Li, J. Wang, P. Wang, B. Liu, Z.-X Liu, B. Normand, Jinsheng Wen*, and Weiqiang Yu*, Phys. Rev. Lett. 119, 227208 (2017).