近日，復旦大學物理學系教授趙俊課題組與教授陳鋼課題組及合作者發現量子自旋液體候選材料YbMgGaO4中的磁激發隨外場的演化符合具有費米麵的量子自旋液體態的行為，為該體系中量子自旋液體態的存在提供了進一步證據。10月8日，相關研究論文以《部分磁化的量子自旋液體候選材料YbMgGaO4中的分數化激發》（“Fractionalized excitations in the partially magnetizedspin liquid candidate YbMgGaO4”）為題，作為“編輯高光文章”（“EditorsHighlights”）發表於國際權威雜誌《自然·通訊》(Nature Communications)(10.1038/s41467-018-06588-1)。物理學系直博生沈瑤為論文第一作者。
量子自旋液體是最早由著名凝聚態物理學家、諾貝爾獎獲得者、普林斯頓大學教授安德森（P. W. Anderson）提出的新奇量子態。其表現為在自旋系統中雖然存在很強的關聯，且自旋高度糾纏，但因為強烈的自旋阻挫和量子漲落，直到絕對零度也不出現磁有序。因而量子自旋液體態無法用前蘇聯理論物理學家、諾貝爾獎獲得者朗道（Lev Davidovich Landau）開創的相變和序參量理論描述，而要用規範場和分數化的自旋子激發的嶄新理論加以刻畫。經過幾十年的研究，理論上已對量子自旋液體提出了各種模型，但一直缺乏決定性的實驗證據表明這種非平庸物質態的存在。日前，物理學系趙俊課題組和陳鋼課題組在量子自旋液體候選材料YbMgGaO4中觀測到了磁激發連續譜，該連續譜與理論期望的分數化的自旋子激發譜一致，為量子自旋液體態在該材料中的實現提供了有力證據 [Nature 540, 559 (2016)]。
在發現相關實驗證據後，為進一步研究量子自旋液體態的特徵分數化激發性質，從而得到其基態性質，物理學系兩課題組再次提出研究YbMgGaO4的磁激發隨外場的變化關係。量子自旋液體態在弱場條件下依然能維持，而分數化的自旋子激發依然能用來描述該體系中的磁激發。實驗研究發現，在2.5 T垂直磁場下，YbMgGaO4的激發譜依然是非常寬的連續譜。進一步測量發現，外場下YbMgGaO4的激發譜發生了顯著的變化。其連續譜呈現出奇異的X型和V型的上下邊界（圖1）。對比一維體系中的自旋子激發隨外場的演化，研究組對量子自旋液體中自旋子對外場的響應進行了計算。計算表明，自旋子能帶在外場下會發生塞曼劈裂，同時引入能帶間和能帶內的自旋子激發，而基於該理論模型的計算結果與測得的激發譜的整體色散關係高度吻合。同時，測量還發現Gamma點信號加強的能量隨外場線性增加，也與理論期望相符。這一系列研究均表明YbMgGaO4中的磁激發隨外場的演化關係與具有費米麵的量子自旋液體態中的自旋子激發相吻合，為量子自旋液體態在YbMgGaO4中的存在提供了新的證據，也為證明量子自旋液體態的實現提供了全新的思路。
該項研究的中子散射實驗在法國勞厄-郎之萬實驗室完成，實驗過程得到了相關儀器科學家勃姆（M. Boehm）和斯蒂芬斯（P. Steffens）的協助；其他合作人員還有英國盧瑟福實驗室博士沃克（H. C. Walker）；該研究理論部分主要由從陳鋼課題組轉到加州大學聖芭芭拉分校的研究生李耀東完成。該研究得到了上海市教育委員會科研創新計劃, 國家重點研發計劃，國家自然科學基金和“千人計劃”青年項目的共同資助。
圖1 YbMgGaO4在2.5 T外場下的自旋子連續譜（左）與對應的自旋子能帶在外場下的塞曼
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