自旋模型中的新奇量子態

《自旋模型中的新奇量子態》是依託中國人民大學，由劉正鑫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：自旋模型中的新奇量子態
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉正鑫
• 依託單位：中國人民大學

項目摘要

本項目通過解析和數值方法研究反鐵磁自旋系統，特別是S=1系統中的一系列新奇量子態並構造可能的自旋模型來實現。我們的模型研究有助於解釋當前一些實驗中不同於傳統磁有序材料的一些奇異行為，並有可能指導實驗實現更多的新的量子態。我們研究的新奇量子態包括（1）內秉拓撲有序態，也就是有能隙的自旋液體態，特別是不破缺SO(3)對稱性的具有nonAbelian任意子激發的自旋液體態；（2）具有受對稱性保護的非平凡邊界激發的對稱保護拓撲態，比如U(1)或者SO(3)對稱性保護的拓撲態具有量子自旋霍爾效應；（3）與鐵基超導的微觀機制有緊密關係的自旋nematic態。Spin nematic態沒有傳統的磁矩，不能用傳統的實驗方法來探測；（4）具有高對稱性[比如SU(3)對稱性]的拓撲量子態，比如具有Z3拓撲序的自旋液體態等及其在冷原子系統中模擬的可能性。

結題摘要

量子磁性是凝聚態物理中的重要研究內容，特別是反鐵磁系統中的新奇物態比如量子自旋液體和對稱保護拓撲態等，更是現代凝聚態研究的前沿領域。本項目以自旋模型和量子磁性為核心，主要展開了如下幾個方面的研究：研究了新型量子自旋液體及其相變，並進一步完善量子自旋液體的拓撲分類；系統研究了反么正群投影表示理論；提議了對稱保護量子態在石墨烯及冷原子平台中的實現方案。取得的主要結果包括：(1)提出磁場誘導的U(1) Dirac自旋液體理論，半定量地解釋了α-RuCl3材料核磁共振實驗中觀察到的自旋-晶格弛豫率與溫度的三次方成正比的現象1/T1~T^3，預言某些方向的磁場能誘導出對易的手征自旋液體相，具有整數量子化的Hall熱導率。該理論對磁場誘導自旋液體出現的機制提供了簡單的物理圖像。實驗和理論結果分別發表於Phys. Rev. Lett. 119, 227208 (2017)和Phys. Rev. Lett. 120, 187201 (2018); 本項目進一步研究了擴展Kitaev模型，發現一種新型無能隙的自旋液體相。這種新的自旋液體中的自旋子激發形成14個Majorana錐，在磁場誘導下能實現兩種大陳數的手征自旋液體。該研究對製備候選材料實現Kitaev提出的手征自旋液體16重分類具有重要的指導意[Phys. Rev. Lett. 123, 197201(2019)]。此外，本項目研究發現了Kagome晶格上S=1的反鐵磁模型中的非對易的手征自旋液體相，對尋找非對易量子自旋液體提供了新的思路[Phys. Rev. B 97,195158 (2018)]; (2)發展了計算反么正群不可約投影表示的系統方法，並計算了磁點群的不可約投影表示，在拓撲態中的對稱分數化以及磁性材料中的能帶簡併中具有廣泛的套用[J. Phys A, 51,025207]；(3)研究了1維相互作用的對稱保護拓撲序在冷原子平台中的模擬, 對實驗上研究對稱保護拓撲序及其相變提供了指導[Phys. Rev. Lett. 119, 185701 (2017)];提議了在石墨烯中實現二維費米性系統中連續對稱性保護的拓撲態的方案[Phys. Rev. B 94, 245120 (2017)]; 我們用場論方法研究了三維對稱富化拓撲態的分類[Phys. Rev. B 94，245120(2016)]。