量子自旋液體是一種即使在零溫下也不會發生對稱性自發破缺的量子物質形態。其基本概念最早由諾貝爾獲得者P. W. Anderson在1973年提出。之後，人們嘗試利用自旋液體來解釋高溫超導的現象。近年來，隨著實驗上大量阻挫量子自旋材料的出現，找到具有自旋液體基態的材料變得越來越有可能。從實驗和理論兩個方面，量子自旋液體已成為凝聚態物理學量子多體問題研究的一個熱點方向。
Kagome 晶格作為一種強阻挫晶格，是實現量子自旋液體的理想模型。但對於一般的反鐵磁海森堡模型，由於存在符號問題，人們無法利用量子蒙特卡洛方法數值研究系統基態的行為。2002年，Balents，Fisher和Girvin三位物理學家提出的所謂的BFG模型是一類可以實現量子自旋液體的模型，而且，該模型沒有符號問題，可以展開大規模的量子蒙特卡洛研究，人們對於該模型取得了很多研究成果，尤其是零磁矩的情況。但如果對該模型加上一個Zeeman場，調節至1/6平均磁矩的時候，該系統是量子自旋液體，還是對稱性破缺的條紋固體序，尚存在爭議。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心博士後王豔成（已出站，現任教於中國礦業大學）和孟子楊副研究員，以及他們的合作者：重慶大學的張學鋒研究員、德國馬普所的Frank Pollmann 教授和耶魯大學的程蒙助理教授等組成的研究團隊，利用大規模的量子蒙特卡洛數值方法對基於BFG模型的阻挫磁性系統在1/6平均磁矩下的情況展開了細緻的研究，給出了該模型的詳細相圖，從理論和數值上證實存在一種新的超越Lieb- Schultz-Mattis-Oshikawa-Hastings (LSMOH) 理論框架的量子自旋液體，其性質可用偶數伊辛規範場理論描述。他們的計算發現，該量子自旋液體到鐵磁序的相變行為屬於自旋子（spinon）凝聚有關的一類特殊的三維 XY∗相變普適類。他們的結果，擴展了 Kagome 晶格上可能存在的量子自旋液體基態的範圍，而且這種超越 LSMOH 理論預言的量子自旋液體，其通往其他對稱性破缺相的相變過程，對應於新型分數化任意子（anyon）凝聚，擴展了人們對於任意子凝聚行為的理解。
相關工作發表在最新一期的《物理評論快報》上（Physical Review Letters 121, 057202 (2018)）. 這項工作得到了科技部重點研發計劃2016YFA0300502、2016YFA0301604，自然科學基金委項目11421092、11574359、11625522、11674370, 中科院先導培育項目 XDPB083 的支持。量子蒙特卡洛模擬所需的大規模的並行計算在中科院物理所量子模擬科學中心和天津國家超算中心天河1號平臺上完成，計算過程中得到了天津國家超算中心孟祥飛博士、趙洋工程師等人的有力配合，在此一併致謝。
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.057202
圖1 （a）Kagome晶格以及不同格點間的自旋相互作用；（b）Kagome晶格的倒格矢及其第一布里淵區；（c）擴展BFG模型在1/6 平均磁矩下的相圖：ST（staggered solid）：交錯固體相，SS（stripped solid）：條紋固體相, FM (ferromagnet): 鐵磁相 , SL(quantum spin liquid）：量子自旋液體相。
圖2 （a）自旋剛度（spin stiffness）在自旋液體（SL）到鐵磁序（FM）相變點附近的數據跌落，其中，臨界指數 υ 是三維XY 普適類的臨界指數。（b）等時自旋-自旋關聯函數G(r)=⟨S+0S−r⟩ 隨距離 r 的變化關係。可以看到，在雙對數座標下，G(r)∼r−(1+η)，其中反常維度η=1.53(4)，遠大於普通的三維XY的反常維度0.04。因此該相變屬於一類特殊的三維 XY∗ 普適類。
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