通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z₂规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体 α-RuCl₃被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl₃为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。     

量子自旋液体候选材料的缪子自旋弛豫研究

量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落,直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述,并且缺少对称性破缺,因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理,并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前,尽管理论上有了长足的发展,但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此,探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术,被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序,测量系统中的涨落频率,这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术,回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果,特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜）,三角格子（YbMgGaO4,NaYbO2 和TbInO3）,笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14],蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3）,以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7,Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。     

自旋阻挫重费米子体系中的量子相变

近藤效应和RKKY交换相互作用的竞争决定了多数重费米子化合物的基态性质。通过压力、磁场等非热力学参量调控,该类材料能够在绝对零温附近实现费米液体和磁有序相之间的连续转变,提供了研究量子相变的理想平台。另一方面,在绝缘的量子磁体中,自旋阻挫引起的量子涨落抑制低温下长程磁有序的发生,导致自旋液体相等新奇物态的产生。在近藤晶格中引入自旋阻挫将给重费米子材料提供一个新的调控维度,深刻改变该类材料的量子临界相图,是重费米子材料领域的一个新颖研究方向。文章首先介绍阻挫重费米子体系的研究背景,然后针对CePdAl的物性展开讨论,探讨阻挫对重费米子材料量子临界物性的影响以及量子临界相的普适性。     

从自旋冰到自旋液态的渡越——结构与磁性质的演化

使用固相反应法得到了Ho_2-xTb_xTi₂O₇（x=0,05,1,15,2）系列多晶样品.X射线衍射（XRD）实验与2K到300K温度区间的直流磁化率测量结果显示,随着Tb即是x的增加,体系由自旋冰Ho₂Ti₂O₇向自旋液Tb₂Ti₂O_{7关键词： 自旋冰 自旋液体 自旋阻挫 晶格结构}     

新几何阻挫物质M2(OH)3X的新颖量子磁性——磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2（OH）3X[M==Cu,Co,Ni,Mn,Feetc．;X=C1,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

新几何阻挫物质M_2(OH)_3X的新颖量子磁性———磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2(OH)3X[M=Cu,Co,Ni,Mn,Fe etc.;X=Cl,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

磁体“沙漠”中的月牙泉——量子自旋液体

当温度趋于零时,如果阻挫自旋系统不呈现长程磁序也不破缺晶格对称性,而且其低能物理性质表现出分数化的量子特征,这种状态称为量子自旋液体态。量子自旋液体随着高温超导的发现而被大量研究,它超越了朗道对称自发破缺的理论框架,并促进了拓扑序理论的发展,其分类理论是以投影对称群为代表的现代数学工具。量子自旋液体中的元激发是分数化的自旋子和演生规范场的光子或量子化磁通,有能隙的量子自旋液体可应用于拓扑量子计算。研究量子自旋液体的理论工具还包括严格可解格点模型、各种不同的数值计算方法和量子场论等。实验上,三角晶格、笼目晶格、六角晶格甚至三维格点系统中的量子自旋液体候选材料相继被发现和深入研究,探测手段包括核磁共振、中子散射、热输运等,调控方法包括高磁场、高压强等。确切的量子自旋液体材料的寻找仍在持续进行中,近些年发展尤其迅速。中国研究人员做出了很多努力,并在部分方向上逐步开始起引领作用。量子自旋液体是一个充满困难和挑战的研究领域,也是一个充满魅力和活力的领域。     

人工自旋冰中阻挫现象的研究进展

磁学中的阻挫现象近些年来是实验及理论研究的热点.本文就磁学中阻挫研究的新进展进行了介绍.描述了用显微刻蚀制备的人工自旋冰的研究,讨论了其潜在的应用前景以及计算机模拟的结果.     

有限温度张量重正化群方法及其在阻挫量子磁性研究中的应用

阻挫量子磁体中的新奇物态与效应是凝聚态物理研究的重要前沿方向,因其与高温超导、拓扑量子计算等的密切联系,近年来吸引了人们浓厚的研究兴趣。实验上,阻挫自旋液体候选材料的 新进展层出不穷,人们系统地研究了若干三角晶格、笼目晶格和六角Kitaev 阻挫磁体等材料,发 现其在一定条件下展现出自旋液体态的特征,但澄清其中的量子物态是充满挑战的量子多体问题。 作者最近的工作指出,可以从有限温度张量重正化群多体计算入手,开展热力学性质的精确计算 与分析,确定阻挫磁体的微观自旋模型,做出进一步理论预言并开展实验验证,从而建立量子磁性 系统的多体计算精确研究方案。有限温度张量重正化群方法是计算大尺寸二维阻挫量子自旋模型 有限温度性质的有力工具,在本文中作者首先介绍新近发展的系列张量重正化群方法,包括线性 和指数张量重正化群等。随后,作者讨论有限温度张量方法在三角晶格量子伊辛磁体TmMgGaO4 和六角晶格Kitaev 磁体α-RuCl3 的微观自旋模型中的具体应用：通过高精度和全面的多体计算, 揭示出其中存在演生U(1) 对称性与拓扑相变,以及高场量子自旋液体态等新颖的结论,这些理 论预言也陆续被实验所证实。通过上述实例,作者展示了有限温度张量重正化群计算方法在自旋 液体候选材料研究中的应用价值,并期待这些方法能在强关联量子物质研究中发挥重要作用。     

自旋对磁量子反点能谱和磁电导的影响

利用分区求解单粒子薛定谔方程的方法,研究了电子自旋对磁量子反点中电子能级和磁电导的影响.结果表明,电子自旋与非均匀磁场的相互作用使电子能级发生劈裂,其特征与均匀磁场中电子自旋引起的劈裂显著不同,磁量子反点中能级的劈裂与角动量量子数密切相关.电子共振隧穿到磁边缘态,导致了磁电导随磁场的非周期性振荡.考虑电子自旋与不考虑电子自旋相比,磁电导谱中谷的数目增多且深度减小. 关键词：     

Quantum Communication in Spin Chain with Multiple Spin Exchange Interaction

The transmission of quantum states in the anisotropic Heisenberg XXZ chain model with three-spin exchange interaction is studied. The average fidelity is used to evaluate the state transfer. It is found that quantum communication can be enhanced by the anisotropic coupling and multiple spin interaction. Such spin model can reduce the time required for the perfect state transmission where the fidelity is unity. The maximally entangled Bell states can be generated and separated from the whole quantum systems.     

Spin freezing in the van der Waals material Mn2Ga2S5

Geometrical frustration in low-dimensional magnetic systems has been an intriguing research aspect, where the suppression of conventional magnetic order may lead to exotic ground states such as spin glass or spin liquid. In this work we report the synthesis and magnetism study of the monocrystalline Mn$_2$Ga$_2$S$_5$, featuring both the van der Waals structure and a bilayered triangular Mn lattice. Magnetic susceptibility reveals a significant antiferromagnetic interaction with a Curie-Weiss temperature $\theta_{\rm w}\sim-260$ K and a high spin $S=5/2$ Mn$^{2+}$ state. However, no long range magnetic order has been found down to 2 K, and a spin freezing transition is found to occur at around 12 K well below its $\theta_{\rm w}$. This yields a frustration index of $f = -\theta_{\rm w}/T_{\rm f} \approx 22$, an indication that the system is highly frustrated. The absence of a double-peak structure in magnetic specific heat compared with the $TM_2$S$_4$ compounds implies that the spin freezing behavior in Mn$_2$Ga$_2$S$_5$ is a result of the competition between exchange interactions and the 2D crystalline structure. Our results suggest that the layered Mn$_2$Ga$_2$S$_5$ would be an excellent candidate for investigating the physics of 2D magnetism and spin disordered state.     

Particle Spin Described by Quantum Hamilton Equations

The anomalous Zeeman effect made it clear that charged particles like the electron possess a magnetic dipole moment. Classically, this could be understood if the charged particle possesses an eigenrotation, that is, spin. Within Nelson's stochastic mechanics, it was shown that the model of a rotating charged ball is able to reproduce the well-known spin expectation values. This classically motivated model of intrinsic rotation described in terms of a stochastic process is revisited here within the formalism of stochastic optimal control theory. Quantum Hamilton equations (QHE) for spinning particles are derived, which reduce to their classical counterpart in the zero quantum noise limit. These equations enable the calculation of the common spin expectation values without the use of the wave function. They also offer information on the orientation dynamics of the magnetic moment of charged particles beyond the behavior of the spin averages.     

Exact solution to a class of generalized Kitaev spin-1/2 models in arbitrary dimensions

We construct a class of exactly solvable generalized Kitaev spin-1/2 models in arbitrary dimensions, which is beyond the category of quantum compass models. The Jordan-Wigner transformation is employed to prove the exact solvability. An exactly solvable quantum spin-1/2 model can be mapped to a gas of free Majorana fermions coupled to static Z2 gauge fields. We classify these exactly solvable models according to their parent models. Any model belonging to this class can be generated by one of the parent models. For illustration, a two dimensional(2D) tetragon-octagon model and a three dimensional(3D) xy bond model are studied.     

Quantum Correlations and Speed Limit of Central Spin Systems

In this article, single, and two-qubit central spin systems interacting with spin baths are considered and their dynamical properties are discussed. The cases of interacting and non-interacting spin baths are considered and the quantum speed limit (QSL) time of evolution is investigated. The impact of the size of the spin bath on the quantum speed limit for a single qubit central spin model is analyzed. The quantum correlations for (non-)interacting two central spin qubits are estimated and their dynamical behavior with that of QSL time under various conditions are compared. How QSL time could be availed to analyze the dynamics of quantum correlations is shown.     

量子场论中的自旋算符

从量子场论的角度对相对论粒子的运动自旋概念作了进一步深入研究.构造了场量子自旋以及场系统运动自旋两个新算符.给出了场量子自旋动量空间的显式表达式以及用Poincar啨群生成元表示的场系统运动自旋的显式表达式.借助这两个算符,可以干净地解决有关场自旋的问题,表明它们才是场自旋的恰当的算符.     

Quantum Communication Through a Two-Dimensional Spin Network

We investigate the state or entanglement transfer through a two-dimensional spin network. We show that for state transfer, better fidelity can be gained along the diagonal direction but for entanglement transfer, when the initial entanglement is created along the boundary, the concurrence is more inclined to propagate along the boundary. This behavior is produced by quantum mechanical interference and the communication quality depends on the precise size of the network. For some number of sites, the fidelity in a two-dimensional channel is higher than one-dimensional case. This is an important result for realizing quantum communication through high dimension spin chain networks.