物理所首次观测到有能隙的自旋子

摘要: 　　最近，中国科学院物理学习所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）EX01组学习生冯子力、学习员石友国成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr。物理所郑国庆学习组（SC09组）副学习员李政展开了核磁共振学习。这项工作是一个理论和实 ...

　　最近，中国科学院物理学习所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）EX01组学习生冯子力、学习员石友国成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr。物理所郑国庆学习组（SC09组）副学习员李政展开了核磁共振学习。这项工作是一个理论和实验通力合作的典型例子：南方科技大学助理教授梅佳伟、物理所SC08组学习员李世亮、T03组副学习员孟子杨，复旦大学教授李世燕以及清华大学副学习员刘峥参加组成了学习团队。学习团队发现，该材料具有与Herbertsimithite相似量级的强反铁磁相互作用（J~17 meV），然而极低温下（50mk）热力学测量没有观测到任何磁性长程序形成，表明Cu3Zn(OH)6FBr是Kagome晶格量子自旋液体的新的代表性系统。通过19F的NMR测量，学习团队确定了有能隙的1/2自旋的自旋子激发。如图1所示，Cu3Zn(OH)6FBr为层状的Kagome晶格，Kagome面由自旋1/2的Cu原子构成，系统可以理解为具有反铁磁相互作用的阻挫Kagome晶格模型。磁化率、比热等热力学测量显示，在50mK时，系统仍然没有磁性。
　　由于Cu3Zn(OH)6FBr中的19F原子核具有1/2自旋，如图2所示核磁共振谱只有一个峰。因此信号不会受到电场梯度的影响，能够更本质地反映磁性信息。而以往学习的Herbertsmithite材料中的原子核自旋大于1/2从而受到电场梯度影响，出现多个共振峰，干扰对磁性的学习。因此，虽然在Herbertsmithite材料中观测到了自旋能隙，但无法分辨自旋激发是自旋1/2还是整数自旋。与此相反，Cu3Zn(OH)6FBr的独特性质为验证自旋激发提供了绝好机会。实验结果显示，在零磁场时，系统具有～7 K 的自旋能隙；如果把系统放置在磁场中，这个自旋能隙会随着磁场的增大而减小。而能隙随磁场变化的斜率恰恰反映了系统中磁性元激发的自旋量子数。对于常规的磁性材料，其元激发是自旋为1的磁振子（magnon）。而图2中的数据清晰地显示，在Cu3Zn(OH)6FBr中，系统的元激发是自旋1/2的，即带有分数化自旋的自旋子（spinon）。
　　有能隙的量子自旋液体，并且具有1/2自旋的spinon元激发，是Z2类型（即Toric code）拓扑序的量子自旋液体的确定性信号。这是在具体材料中观察到Z2拓扑序量子自旋液体的第一个确定性例子。这项成果一经发表，便受到了国际同行的广泛关注，Herbertsmithite的合成人、斯坦福大学教授Young Lee反复在各个重要学术会议中进行介绍。拓扑序理论的创始人、麻省理工学院教授文小刚也应邀为这项成果专门撰文评价(Chin. Phys. Lett. 34 (9) (2017))。对于这项工作的重要性，文小刚认为，正如在量子分数霍尔效应中直接观测到分数化的电荷，直接观测到电中性且具有分数化自旋1/2的激发，是十分令人振奋的结果。
　　学习团队对于Cu3Zn(OH)6FBr的后续实验观测和理论计算，正在逐步深入下去。
　　这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项等的资助。

　　图1：（a）Cu3Zn(OH)6FBr侧视图，层间的Cu原子被无磁性的Zn原子所替代，隔出层状的Kagome Cu原子二维晶格。（b）Cu3Zn(OH)6FBr 俯视图，层状Kagome晶格清晰可见。在六边形的中心，可以F原子，不同于 Herbertsmithite，在 Cu3Zn(OH)6FBr中，由于F原子的核磁共振信号灵敏度高，Kagome面内的自旋能隙可以被探测到。