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姚道新教授团队在三聚体系统的高能磁激发研究中取得新进展
量子磁性是当前凝聚态物理中极其重要的科学前沿，与新物态、高温超导、量子计算等都有密切的关联，在基础和应用上都有重要的价值。在量子磁性系统中，量子涨落和相互作用之间的竞争不仅会产生新奇的磁性基态，例如量子自旋液体、自旋玻璃、价健固体等，也会产生非同寻常的磁激发行为，例如分数激发、弦激发、多磁子激发、拓扑激发等，在物理学和信息科学等领域有潜在的重要价值。
磁激发体现物质的自旋动力学，对理解高温超导机理、探索自旋之间的量子纠缠、研发磁电器件起着重要的作用，可以通过中子散射等实验手段探测。姚道新教授团队在研究弱连接的团簇状量子自旋系统时发现高能磁激发可以显著地区分于低能磁激发，具有非常不同的物理来源。他们提出了一维三聚体反铁磁自旋链模型（见图1），通过调节三聚体内部和之间的相互作用（J1和J2），可以有效的分离高能磁激发和低能磁激发，并研究它们之间的演化。
图1：一维反铁磁三聚体自旋链系统的示意图
姚道新教授团队利用量子蒙特卡洛、精确对角化和微扰理论系统研究了一维三聚体反铁磁自旋链（S=1/2）的磁激发特性，发现了高能量的双重子（Doublon）、四重子（Quarton）等与低能量的自旋子（Spinon）激发 “共存”。这些新奇的高能磁激发超越了传统的重整化描述。通过改变三聚体之间相互作用 J2 和三聚体内部相互作用 J1 的比率g=J2/J1 （见图1），该团队发现系统具有非常丰富的磁激发能谱（见图2）。当g比较小时，磁激发能谱可以分为三部分：低能量的自旋子连续谱（能量尺度~J2）、中能量的双重子激发谱（能量尺度~ J1）、高能量的四重子激发谱（能量尺度~1.5J1）。其中，低能量的自旋子激发谱可以通过重整化的均匀海森堡自旋链来解释（其有效相互作用由J2 决定，携带自旋量子数1/2）。而中能量和高能量的磁激发不能用重整化的自旋链来描述，需要考虑三聚体内部的量子磁激发。该团队分析了S=1/2三聚体的完整量子能级和波函数，发现中能磁激发对应于一种双重子激发（能量尺度~ J1，携带自旋量子数1），高能磁激发对应于一种四重子激发（能量尺度~ 1.5J1，携带自旋量子数1），正好对应磁激发能谱的三个不同能量尺度。考虑到三聚体间的相互作用，这些高能准粒子之间存在丰富的动力学和纠缠行为。图2(e)—(f)展示了实空间中自旋子、双重子和四重子的形成和运动模式，其中四重子还可以跟自旋子结合在一起形成有自旋子伴随（图2(g)）和无自旋子伴随（图2(h)）的有趣关联。随着g 的增加，这些中、高能准粒子分数化成自旋子。特别是在 g≈0.716时，低能自旋子分支与混合双重子、四重子和自旋子的高能带之间的能隙闭合，发生准粒子之间的强的关联相互作用。当g=1时，该系统完全转化为自旋子的连续谱。
该研究为探索高能磁激发和低能磁激发的分离和转化提供了重要的理论基础，能够在一维量子磁体、冷原子物理等实验中实验。目前，已经有一些近似三聚体耦合的量子磁体被发现，例如Pb3Cu3(PO4)4和A3Cu3(PO4)4，A=(Ca,Sr,Pb)。
图2：(a)—(d)为动量空间中通过量子蒙特卡洛方法得到的磁激发能谱；(e)—(f)为实空间中自旋子、双重子和四重子的示意图。
这一工作以“Fractional and composite excitations of antiferromagnetic quantum spin trimer chains”为题，于2022年1月11日发表在npj Quantum Materials上。该工作以beat365中国唯一官方网站为主体完成，文章的第一作者为程俊青博士和李军博士，通讯作者为beat365中国唯一官方网站姚道新教授和邬汉青副教授、以及波士顿大学A. W. Sandvik教授，已毕业的beat365中国唯一官方网站博士生熊梓健也参与了这项研究工作。
本项工作得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、广东特支计划、广东省自然科学基金、beat365中国唯一官方网站高校基础科研业务费、以及国家超算广州中心的大力支持。