近日，我院微納物理與應用研究室理論團隊（以下簡稱研究團隊）在Kitaev量子磁體的多體理論研究中取得進展。通過采用課題組發展的指數張量重正化群方法，研究團隊考慮了Kitaev磁性材料中廣泛存在的相互作用項，并對這樣的擴展Kitaev模型進行了大尺寸量子多體熱力學模拟，在中間溫區發現了奇特的分數液體态（或稱近鄰自旋液體态），并發現其具有馬約納拉激發和新奇的普适熱力學規律。具體地說，在分數液體中，磁化率呈現出不同于高溫居裡-外斯定律的演生（emergent）居裡-外斯行為；比熱呈現出對應于馬約納拉金屬的線性行為；自旋結構因子呈現條紋狀背景，反映了系統中獨特的自旋關聯模式。這些特征共同刻畫了新穎的Kitaev分數液體态和Kitaev順磁規律。相關工作于2020年10月2日以“Universal thermodynamics in the Kitaev fractional liquid”為題在線發表于Physical Review系列新期刊《Physical Review Research》，北航beat365英国官网网站博士生李涵為第一作者，龔壽書教授、李偉副教授為通訊作者，北航beat365英国官网网站為第一作者和通訊作者單位。合作者還包括北航beat365英国官网网站碩士研究生屈代維，本科生張皓凱（現在清華大學高研院攻讀博士學位），複旦大學戚揚教授（通訊作者）等。
示意圖 中間溫區分數液體中磁化率的普适居裡-外斯行為以及條紋狀的自旋結構因子背景（插圖為實空間成對翻轉的自旋及Z2規範通量的強烈漲落）。
量子自旋液體作為一類新奇的量子物态，不斷吸引着人們探尋其中的凝聚态物理新範式。2006年，A. Kitaev提出了一個定義在蜂巢（honeycomb）晶格上、可嚴格求解得到自旋液體态的量子格點模型，即Kitaev蜂巢模型。近年來，人們發現一類具有強自旋-軌道耦合的有效自旋-1/2莫特絕緣體材料，如Na2IrO3，alpha-RuCl3等，令人欣喜地實現了Kitaev蜂巢模型，并可能實現追尋已久的量子自旋液體。然而，在這些實際材料中不可避免地還存在着其他類型的複雜相互作用，如海森堡、伽馬相互作用項等，這使得這些Kitaev材料在低溫下進入有序相，從而偏離了量子自旋液體的理論預期。因此，探讨這些實際相互作用以及磁場項等對Kitaev模型的影響，以及擴展Kitaev模型中是否會有分數化激發并實現自旋液體等，是亟待研究的前沿問題。
然而，包含多種相互作用的擴展Kitaev模型具有自旋阻挫，這使得蒙特卡洛模拟等遇到“負符号”問題，開展精确理論計算十分困難。2018年，研究團隊提出了指數張量重正化群（XTRG）方法，其正是研究此類問題的有力工具。應用XTRG方法，研究團隊開展大規模計算，得到了含磁場、海森堡及伽馬相互作用等的擴展Kitaev模型低溫熱力學性質，從而揭示出在中間溫區存在穩定的分數液體相。在該分數液體相中，存在一系列新奇的普适熱力學行為。磁化率會在高溫居裡-外斯行為之外，湧現出第二段“居裡-外斯”行為，并對應不同的内秉磁矩。通過理論推導分析，研究團隊發現這是由于在分數液體中，雖然關聯已經建立，自旋不能單獨自由翻轉，但演生的Z2規範通量仍然會強烈漲落，使得自旋可以成對地自由翻轉，帶來一個“新的”居裡-外斯律。研究團隊進而分析了實驗材料Na2IrO3和 alpha-RuCl3的已有磁化率實驗數據，發現其在中間溫區的确存在這樣的第二段湧現居裡-外斯行為。
此外，分數液體的獨特自旋關聯特征，還會導緻結構因子出現條紋狀的背景。研究團隊精确計算了包含若幹重要相互作用的擴展Kitaev模型的熱力學性質和有限溫度相圖，相關結果為擴展Kitaev模型的理論研究提供了有價值的新穎結論，并預言後續可利用自旋分辨的中子散射等實驗手段在Kitaev材料中探測Kitaev分數液體。
相關研究工作獲得國家自然科學基金面上項目和重點項目、北航卓越百人計劃和北航青年拔尖人才支持計劃等的大力支持。
論文在線鍊接為：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.043015
