進展｜新量子自旋液體候選材料Cu3Zn(OH)2FCl的發現

量子自旋液體態是一種具有長程量子糾纏的新奇物態，具有分數化的任意子的激發，是量子物質科學新範式的代表；關於量子自旋液體的研究，對於理解高溫超導體的機理以及量子計算的應用具有重要的意義。因此，近年來一直是凝聚態物理學和量子物質科學的研究熱點。量子自旋液體態通常在蜂窩狀、三角格子、籠目結構等幾何阻挫磁體中實現。其中，具有籠目結構的海森堡反鐵磁體是實現量子自旋液體的一個理想體系。目前，公認的量子自旋液體候選材料仍然付之闕如，新材料的發現對研究量子自旋液體的物理實質具有重要的意義。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室的石友國研究員和馮子力博士生，凝聚態理論與材料計算重點實驗室的孟子楊研究員，超導國家重點實驗室的李世亮研究員以及日本國立材料科學研究所的衣瑋等合作，合成了新的量子自旋液體候選材料Cu₃Zn(OH)₆FCl。這是該材料的首次合成，其具有完美的Kagome結構；同時，母體材料Cu₄(OH)₆FCl也被成功的製備出來，在17K左右存在反鐵磁相變。在Cu₃Zn(OH)₆FCl中，Cu離子之間具有很強的反鐵磁關聯（大約19.2meV），低溫熱力學測量表明在0.8K以上，沒有發現任何磁有序現象；同時，交流磁化率數據與頻率沒有明顯依賴關係，排除了低溫下系統進入自旋玻璃態的可能性，一系列的熱力學測量表明Cu₃Zn(OH)₆FCl是一個量子自選液體的候選材料。進一步對比Cu₃Zn(OH)Cl₂

該工作得到了科技部重點研發計劃（2016YFA0300502，2017YFA0302901，2016YFA0300604，2016YFA0300501），中科院（XDB28000000,XDB07020100，QYZDB-SSW_SLH043）以及國家自然科學基金委（11421092,11574359,11674370,11774399，U1732154）的資助。

圖1：磁化率和比熱的溫度依賴關係。(a) 1KOe的場強下，Cu₃Zn(OH)₆FCl和Cu₄(OH)₆FCl的磁化率隨溫度變化曲線，縱軸採用對數座標，可以清晰地看到Cu₄(OH)₆FCl在17K左右出現相變。插圖是10 KOe場強下，Cu₃Zn(OH)₆FCl磁化率的倒數隨溫度的變化曲線。對高溫下的數據進行居里外斯擬合得到居里溫度為-223K，表明該材料具有很強的反鐵磁關聯。(b) 零場下，Cu₃Zn(OH)₆FCl, Cu₃Zn(OH)₆FBr, Cu₃Zn(OH)₆Cl₂(Herbertsmithite)的比熱數據，三者在低溫下幾乎具有一致的行為。插圖：0.8K以上，Cu₃Zn(OH)₆FCl在不同磁場下的比熱數據。降溫至0.8K，仍沒有觀察到任何磁有序的現象，表明該材料是一個量子自旋液體候選材料。

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