量子自旋液體是一種特殊的量子物質(zhì)形態(tài)。量子自旋液體的基本概念最早由P. W. Anderson于1973年提出。這種物質(zhì)形態(tài)具有如下特點：降溫至零溫不會發(fā)生對稱性自發(fā)破缺，即不存在長程序的有序結構；具有高糾纏度的量子態(tài)和新奇的任意子激發(fā)，在量子信息處理如拓撲量子計算方面具有潛在的應用價值；與傳統(tǒng)的對稱破缺有序相不同，量子自旋液體具有拓撲序，其描述超越了傳統(tǒng)的Landau范式。在Alexei Kitaev提出的六角晶格模型后，科學家在理論上確認了這種新穎量子物態(tài)存在的可能性。Kitaev自旋液體不僅僅存在于理論模型，在強自旋-軌道耦合材料中也有望被實現(xiàn)，故在理論和實驗兩方面均引發(fā)了科學家的研究興趣。

在眾多材料中，a-RuCl₃是備受關注的Kitaev自旋液體候選材料。a-RuCl₃具備自旋-軌道量子磁性，存在鍵依賴的各向異性相互作用——Kitaev耦合，并具有很好的二維性。這些特性使得a-RuCl₃成為研究Kitaev相互作用誘導量子物態(tài)和阻挫效應的優(yōu)秀候選材料。然而，由于實際材料的復雜性，a-RuCl₃存在除Kitaev相互作用之外的其他磁性相互作用，這挑戰(zhàn)了科學家對其中量子磁性物態(tài)的理解。

中國科學院理論物理研究所研究員李偉課題組致力于多體計算與阻挫量子磁性研究。2021年，課題組通過自主發(fā)展的有限溫度張量重正化群方法，解析了a-RuCl₃的量子磁性“基因”即其自旋相互作用的微觀模型，發(fā)現(xiàn)了其中存在很強的Kitaev相互作用，并進一步預言了在35-100特斯拉高磁場下存在一個自旋液體中間相。該進展為進一步探索a-RuCl₃中的新奇量子物態(tài)和阻挫效應奠定了重要的理論基礎。

強磁場實驗是在強磁場環(huán)境下對物質(zhì)的性質(zhì)開展探索的實驗，是極端條件下的前沿科學實驗。目前，國際上少數(shù)先進的脈沖磁場實驗室可以做到兆高斯（百特斯拉）級，即地磁場的數(shù)百萬倍、通常永磁體表面磁場的數(shù)百到數(shù)千倍。近日，李偉課題組與日本東京大學國際強磁場實驗室Matsuda研究組合作，利用兆高斯（100特斯拉）級的強磁場，驗證了此前提出的理論預言，找到了35特斯拉和100特斯拉附近的磁場誘導量子相變的證據(jù)，支持了強磁場自旋液體在a-RuCl₃中的存在（圖a）。進一步，李偉和博士研究生李涵（現(xiàn)為中國科學院大學卡弗里理論科學研究所博士后）基于此前提出的理論模型，針對轉(zhuǎn)角度高場實驗開展了磁場-轉(zhuǎn)角相圖的密度矩陣重正化群計算（圖b）。結果與最新強磁場實驗定量符合（圖c），支撐了a-RuCl₃在強磁場中存在自旋液體中間相的結論。該工作為探索實際Kitaev材料中的自旋液體、研究其新奇量子性質(zhì)開辟了新戰(zhàn)場。

相關研究成果以Possible intermediate quantum spin liquid phase in α-RuCl₃?under high magnetic fields up to 100 T為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目和面上項目、博新計劃、中國科學院基礎研究領域穩(wěn)定支持青年團隊計劃等的支持。東京大學強磁場實驗室等的科研人員參與研究。

論文鏈接

（a）轉(zhuǎn)角度高磁場磁化測量結果；（b）理論計算采用的二維六角晶格圓柱面結構；（c）實驗測量高場轉(zhuǎn)角相圖并與理論對照。