准一维自旋链的铁涡序材料 | 前沿快讯No.16

Original 中国物理学会中国物理学会 2022-10-21

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快讯

准一维自旋链的铁涡序候选材料

无序调控多模激光器中的非线性相互作用

磁场诱导的无能隙量子自旋液体

准一维自旋链铁涡序材料

铁涡序是四种主要的铁序形式之一，破坏了空间和时间反演对称性，有利于磁电响应。环形磁矩，作为铁涡序的序产量，可以由磁矩的头尾相连磁构型产生。理论上提出一维二聚反铁磁自旋链具有铁涡序，并且具有仅由两个反平行自旋组成的环形磁矩。目前，大多数被报道的铁涡序候选材料是具有高维结构的氧化物。准一维材料是材料科学领域的一个重要方面之一，在准一维系统中寻找新的一维铁涡序材料很有研究价值。

本文作者中科院物理研究所靳常青团队，Jun Zhang和望贤成利用高压和高温合成方法得到了利用符合上述自旋链理论模型的Ba6Cr2S10多晶样品，其结构由沿c轴的独特的二聚共面CrS6八面体链组成。在10K下，出现的类反铁磁序打破了空间和时间反演对称行，磁点群mm2允许Ba6Cr2S10中存在三种铁序：（反）铁磁性、铁电性和铁涡序。其研究表明Ba6Cr2S10是一种罕见的具有准一维自旋链的铁涡序候选材料，可以作为进一步探索铁涡序物理和应用的起点。

相关研究成果以A Ferrotoroidic Candidate with Well-Separated Spin Chains为题，发表在《先进材料》 Advanced Materials 34, 2106728 (2022)上。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202106728

无序调控多模激光器中的非线性相互作用

多体相互作用已经成为许多研究领域的一个普遍主题，包括凝聚态和粒子物理、天文学、化学、生物学、神经科学，甚至社会科学。在光学中，多体相互作用已经在各种具有不同类型非线性特征的激励系统中进行研究，这些系统表现出一系列的新现象，如同步、模式形成、双稳态和混沌动力学等。一个著名的例子是多模激光器，其中许多激光模式通过增益材料进行非线性相互作用。其复杂的相互作用提供了XY自旋哈密顿量和几何挫折的光学实现途径，而在随机激光器中，无序势阱激光模的非线性耦合导致了“玻璃态”行为和副本对称性破缺的相变。在大范围内连续调整模态相互作用强度对于研究多体相互作用是必要的，但这在实验上难以实现，在很大范围内精确和连续地调整相互作用强度是具有挑战性。

本文作者耶鲁大学Yaniv Eliezer和Simon Mahler等人提出了一种独特的通过在近简并腔中引入随机相位涨落来控制激光模式结构的方法。数值和实验结果表明，随着相位涨落的特征尺度减小了两个数量级，横向模态变得分散，其空间重叠的减少抑制了模态的增益竞争，允许更多激光模式的出现。该系统的可调性、灵活性和鲁棒性为研究多体现象提供了一个强大的平台。

相关研究成果以Controlling Nonlinear Interaction in a Many-Mode Laser by Tuning Disorder为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 143901 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.143901

磁场诱导的无能隙量子自旋液体

在过去的几年中，具有蜂窝结构的α-RuCl3由于键依赖的各向异性Kitaev相互作用，不同于三角形、kagome或焦石结构的量子自旋液体候选材料的几何阻挫，在寻找 Kitaev量子自旋液体的过程中得到了广泛的研究。已经确定α-RuCl3的基态实际上是一个 zigzag有序态。但是Ru3+离子d轨道的空间各向异性和理想的键构型，其在有效自旋1/2磁矩之间存在很大的Kitaev相互作用。由于Kitaev相互作用的存在，zigzag有序相接近Kitaev量子自旋液体，虽然也存在一些非kitaev相互作用使系统偏离了量子自旋液体。可以通过调节相互作用的竞争，抑制zigzag磁有序，实现量子自旋液体。α-RuCl3磁序是易调节的，可以通过外加磁场来完全抑制。

本文作者南京大学赵晓雪和冉柯静等通过对高质量的单晶进行非弹性中子散射测量，研究了α-RuCl3在平面内磁场作用下的磁激发演化过程。在零场条件下，在M附近存在自旋波激发，在Γ点附近存在一个连续谱，分别与Kitaev量子自旋液体的zigzag磁序和分数激发有关。随着磁场的增加，自旋波激发逐渐消失，连续谱逐渐增强，在7.5T自旋波激发完全消失，只剩下连续谱，表明了纯量子自旋液体态的出现。进一步增加磁场，在Γ点附近的激发态变得更加强烈。根据Γ点附近的能隙可以建立由三个相组成的相图，包括在低场处的有能隙的zigzag有序相，在临界磁场附近可能无能隙的量子自旋液体，以及在高场处的有能隙的部分极化相。结果表明，平面内磁场可以驱动α-RuCl3在临界场附近进入人们长期以来一直寻找的量子自旋液体态。

相关研究成果以Neutron Spectroscopy Evidence for a Possible Magnetic-Field-Induced Gapless Quantum-Spin-Liquid Phase in a Kitaev Material α-RuCl3为题，作为Express Letter发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 057501 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/5/057501#1

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

编者按

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