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科技工作者之家 2020-05-29
来源:中科院物理所
量子磁性系统的相变研究近年来在理论上进展迅速,从具有拓扑序的量子自旋液体 [1]到超越朗道-金兹伯格对称性破缺理论的去禁闭量子临界点[2] 以及具有涌现连续对称性的新型一级相变[3] ,新的结果不断出现。这些理论发展对实验研究提出了新的需求和挑战,在材料的制备方面, 如阻挫磁体材料,在生长和合成上比常规材料更加困难;在物性测量方面, 理论上预测的新物态往往是在低温、高压、强磁场等极端条件下才能出现,而综合极端条件下的物性测量,如本研究采用的高压比热测量,在实验技术上具有挑战性。因而,关于量子磁性系统的新的实验研究结果无论对于理论还是实验研究都具有重要的意义。
图1. (a) 由高压比热测量确定的阻挫磁体材料SrCu2(BO3)2 的压力-温度相图。(b), (c), (d), (e) 为不同压力下的比热测量的结果,其中黄色箭头指示C/T 上的鼓包对应相图 (a) 中绿色标识,代表反铁磁相互作用的起始温度。(c), (d), (e) 中更低温度的箭头所示温度分别为相图中二聚体 PS 态和反铁磁 AF 态的相变温度。
近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孙力玲研究员、郭静副研究员、孟子杨研究员、李世亮研究员等与中科院物理所/波士顿大学Anders W. Sandvik(善德伟)教授和俄罗斯科学院高压物理研究所Vladimir A. Sidorov教授组成的国际合作团队,利用高压下比热测量的方法,研究了著名的阻挫磁体材料 SrCu2(BO3)2,第一次完整的获得了该系统随压力的变化从二聚体态 (Dimer-singlet state,DS) 到四聚体态 (plaquette-singlet state, PS) 再到反铁磁态 (antiferromagnet, AF) 的基态相图,填补了20多年来对该材料研究的空白。该研究结果为理解不同基态之间的相变,尤其是四聚体态与反铁磁态之间可能存在的去禁闭量子相变提供了实验观测事实,为进一步的理论研究提供了动力。这项工作发表在最近一期 Physical Review Letters 上 [4]。图2:为配合 SrCu2(BO3)2 实验结果,研究人员设计了二维和三维 checkerboard J-Q 自旋模型,并运用大规模量子蒙特卡洛模型计算了该模型在不同参数下的热力学行为。如(c)所示,比热计算的结果在 PS 和 AF 相中,与实验观测结果高度吻合。
相关工作链接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.124.206602
参考文献:
[1] Quantum Spin Liquid with Even Ising Gauge Field Structure on Kagome Lattice,Yan-Cheng Wang, Xue-Feng Zhang, Frank Pollmann, Meng Cheng, Zi Yang Meng,Phys. Rev. Lett. 121, 057202 (2018)
[2] Dynamical Signature of Fractionalization at the Deconfined Quantum Critical Point, Nvsen Ma, Guang-Yu Sun, Yi-Zhuang You, Cenke Xu, Ashvin Vishwanath, Anders W. Sandvik, Zi Yang Meng, Phys. Rev. B 98, 174421 (2018) Editors' Suggestion
[3] Symmetry-enhanced discontinuous phase transition in a two-dimensional quantum magnet, Bowen Zhao, Phillip Weinberg, Anders W. Sandvik, Nature Physics 15, 678-682 (2019)
[4] Quantum Phases of SrCu2(BO3)2 from High-Pressure Thermodynamics,
Jing Guo ,Guangyu Sun, Bowen Zhao, Ling Wang, Wenshan Hong, Vladimir A. Sidorov, Nvsen Ma, Qi Wu, Shiliang Li, Zi Yang Meng, Anders W. Sandvik, and Liling Sun, Phys. Rev. Lett. 124, 206602 (2020)
[5] Exact Dimer Ground State and Quantized Magnetization Plateaus in the Two-Dimensional Spin System SrCu2(BO3)2,H. Kageyama, K. Yoshimura, R. Stern, N. V. Mushnikov, K. Onizuka, M. Kato, K. Kosuge, C. P. Slichter, T. Goto, and Y. Ueda, Phys. Rev. Lett. 82, 3168 (1999)
[6] Exact ground state of a quantum mechanical antiferromagnet, B.Sriram Shastry, BillSutherland, Physica (Amsterdam) 108B, 1069 (1981)
[7] A Novel Ordered Phase in SrCu2(BO3)2 under High Pressure, Takeshi Waki, Koichi Arai, Masashi Takigawa, Yuta Saiga, Yoshiya Uwatoko, Hiroshi Kageyama, and Yutaka Ueda, J. Phys. Soc. Jpn. 76, 073710 (2007)
[8] 4-spin plaquette singlet state in the Shastry-Sutherland compound SrCu2(BO3)2, M. Zayed et al., Nat. Phys. 13, 962 (2017).
来源:cas-iop 中科院物理所
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwNTA5NTYxOA==&mid=2650883922&idx=4&sn=95adc1c6ba938071df2632717e94d0f2&chksm=80d40effb7a387e943ecbff32b08d540c7dbc572692b6b94eb597e154e6f315b6f6109f8e0e8#rd
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