物理所等在三维量子自旋液体动力学行为研究中取得进展

量子自旋液体是存在于量子阻挫磁性材料中的一种新型物质形态，其新奇之处在于量子自旋液体中的可以衍生出带有拓扑性质的分数化元激发，这些元激发往往具有一些非同寻常的物理性质。然而，由于其强关联、非微扰的特征，目前理论上对这些拓扑元激发的动力学特性认识甚少。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算重点实验室副研究员万源、孟子杨与中国科学技术大学教授邓友金、研究生黄春炯合作，结合大规模量子蒙特卡洛模拟和量子场论的分析，在量子自旋液体动力学的理论研究上取得进展。

研究人员结合数值模拟和理论分析，研究了量子自旋冰中拓扑元激发的动力学行为。量子自旋冰（如图1所示）是一类典型的三维量子自旋液体，其中的拓扑元激发包含衍生光子和自旋子。衍生光子的物理性质类似于量子电动力学中的光子，而自旋子则类似于电荷。他们运用大规模量子蒙特卡洛和随机解析延拓的方法，首次直接定量刻画了一个模型自旋冰体系中这两类元激发的动力学特征（如图2所示）。在自旋激发谱函数这一实验可观测量中，衍生光子表现为无能隙的共振模式，而自旋子表现为有能隙且弥散的连续谱。这二者均直接证实了此前唯象场论的定性预言，而且可以直接和中子散射和核磁共振等实验结果进行直接对比。该研究的数值计算和理论分析的结果，对目前正在快速发展之中的阻挫磁体和量子自旋液体、量子自旋冰等领域的相关实验工作具有指导意义。

相关工作发表在最近一期的《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 120, 167202 (2018))。该研究得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金委项目以及中科院先导培育项目的支持。量子蒙特卡洛模拟所需的大规模的并行计算在物理所量子模拟科学中心和天津国家超算中心天河1号平台上完成，计算过程得到了天津国家超算中心博士孟祥飞、工程师赵洋等人的大力支持。

Fig.1. (a) 烧绿石晶格的量子自旋冰模型。a1, a2, a3 显示自旋冰中的有能隙的自旋子（spinon）激发的产生过程。（b）自旋冰模型的比热和熵随着温度的依赖关系。从高温到低温，系统经历高温时的顺磁态、中间温度的经典自旋冰态和低温下的量子自旋冰态。衍生光子的激发存在于在量子自旋冰之中。

Fig.2 (a),(b) 量子蒙特卡洛和随机解析延拓严格计算所得的量子自旋冰中的衍生光子激发谱。（a'）,（b'）为唯象理论中的衍生光子谱。（c),（d）量子蒙特卡洛和随机解析延拓严格计算所得的量子自旋冰中自旋子的激发谱。（c'）,(d')为唯象理论中的自旋子谱。