The Innovation | 完美的量子自旋液体材料是否真正存在？

导 读

量子自旋液体态在理论设计和动力学模拟上已经得到了极大发展，然而在实验上还没有观察到与理论完全自洽的材料体系。最近，以具有几何阻挫三角晶格的YbMgGaO₄和NaYbCh₂ (Ch = O, S, Se, etc)为代表的候选材料揭示了量子自旋液体和无长程量子纠缠的经典相共存的证据，这将有望为理论方面建立新的理论模型提供重要依据。

图1 图文摘要

自旋液体是在远低于自旋相互作用能量尺度下存在的一种无磁序的材料，它的出现归因于涨落效应破坏了高度的基态简并。自旋液体中的自旋涨落既可以是经典的，也可以是量子的。当材料中具有强的磁几何阻挫，但量子涨落却不存在，那么理论上应该可以看到一个经典的自旋液体基态。当自旋液体不遵守传统的朗道相变和自发对称破缺范式时，拓扑凝聚态物理将成为描述具有长程纠缠相和拓扑相的自旋液体基态的重要理论基础。理论预言可以在自旋S = 1/2且有着强磁阻挫材料中实现，使其基态有可能出现高度简并和强量子涨落，因此自旋表现出长程纠缠，从而可以出现量子自旋液体（QSL）态。

理论预言表明，具有强量子涨落的磁几何阻挫且自旋S = 1/2的Mott绝缘体是实现QSL的潜在候选材料。一些候选材料确实已经展现出了具有QSL行为的特征，但证据是间接的。自旋1/2的磁离子位于边共享的三角晶格格点上是最简单的阻挫体系，其代表性的QSL候选材料YbMgGaO₄被认为是一种结构完美的稀土三角晶格反铁磁。YbMgGaO₄展现出连续自旋激发谱且低至50 mK长程磁序都不存在，但由于存在非磁性Mg/Ga位点无序，这对观察到的连续自旋激发的解释有了不同理解，认为可能是源于经典的自旋玻璃，而非具有强的量子涨落的自旋液体。

与YbMgGaO₄相比，具有有效自旋1/2局域磁矩的二硫族化合物NaYbCh₂（Ch=O, S, Se, etc）家族，避免了Mg/Ga位点无序的问题。理论预言NaYbCh₂的磁性Yb³⁺离子形成的ABC堆垛，可以具有手性特征，并可能出现由ABC堆垛引发的新的磁阻挫效应。目前实验研究发现，其中一个代表QSL候选材料NaYbSe₂不存在长程磁序和自旋玻璃行为。非弹性中子散射观察到的连续自旋激发表明，NaYbSe₂的基态展现出自旋子费米表面态的QSL特征。令人失望的是，NaYbSe₂仍然不可避免地引入了钠离子的无序，因此复旦大学朱子浩等人认为，由于钠离子无序，NaYbSe₂应该是一种QSL和短程磁簇共存的基态。然而，这样一个共存态，也可能源于固有的ABC堆垛构型，这引发了手性间竞争，从而进一步诱发了磁阻挫效应，因此可能弥补了钠离子的无序，使得基态或许存在强的量子涨落。尽管通过目前的实验技术很难证实这一假设，但这种新奇的量子现象将有助于促进理论学者更全面地考虑实际材料中不可避免的一些材料固有属性。

事实上，对于真正的材料来说，一方面结构无序是不可避免的，另一方面晶格缺陷导致的不确定性使得本征基态的提取变得复杂和不可预测。尽管研究者找到理想的QSL材料的愿景尚未实现，但该领域已经取得了长足进步。如果找到一种真正的QSL材料，将极大地促进量子计算机和高温超导体的发展。

总结与展望

研究量子自旋液体（QSL）的直接证据是观察到分数化的自旋激发。虽然受限于样品质量和测试技术，但该研究方向在过去半个世纪取得了巨大发展。材料选取上，小自旋、避免结构无序和缺陷、强的磁阻挫等已经成为寻找QSL的必要参考标准。各种测试技术的发展，尤其极低温技术极大地推动了QSL的研究。我们相信可以通过改进样品制备条件并找到更多QSL候选材料，建立更接近实际材料的理论模型，最终推动相关量子理论的研究。

责任编辑

杜 强     中国科学院工程热物理研究所

李 旺     中国科学院空天信息创新研究院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00112-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第五期以Commentary发表的“Is there a pure quantum spin liquid?” (投稿: 2023-06-10；接收: 2023-07-23；在线刊出: 2023-07-24)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100484

引用格式：Lin G., and Ma J. (2023). Is there a pure quantum spin liquid? The Innovation. 4(5),100484.

作者简介

马 杰，上海交通大学物理与天文学院教授。长期从事凝聚态物理前沿实验研究方面的工作，尤其是运用中子散射及同步辐射X光技术对强关联体系功能材料的晶体结构、声子谱和磁子谱进行研究，探讨材料中电子、磁子、声子和轨道等相互作用及其导致的诸如电荷有序、轨道晶格耦合、自旋晶格相互作用等新奇量子效应和物理现象。已在Science, Nature Physics, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Physical Review Letters等国际杂志上发表论文100余篇，引用6600余次，专利1项。

Web: https://old.physics.sjtu.edu.cn/~jiema/

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球54个国家；已被136个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录。2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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