研究团队在阻挫稀土磁体拓扑相变研究中的新进展

内容来源：北京航空航天大学

近日，我校物理学院量子磁性物质理论研究团队在三角晶格阻挫反铁磁体系列研究中取得进展。通过与相关实验团队密切合作开展核磁共振和低温热力学测量等实验，探测到了二维量子磁体TmMgGaO4(TMGO) 的低能涨落和磁化率的代数发散行为，与理论模拟结果高度吻合，找到了磁性晶体 TMGO 中存在 BKT 相的证据，验证了理论团队此前的预言。相关工作于2020年11月6日以“Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications），北航物理学院博士生李涵为共同第一作者，李伟副教授为共同通讯作者，北航物理学院为共同第一和通讯作者单位。由拓扑机制导致的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相变是人们发现超越朗道对称性破缺理论框架的第一个新奇相变例子。Kosterlitz和Thouless因为“发现拓扑相变及物质的拓扑相”获2016年诺贝尔奖。实验上，人们曾在超流液氦薄膜和超导系统中探测到 BKT 相变，但至今未在磁性材料中实际观察到这种新奇的拓扑相变。北航物理学院量子磁性物质研究团队从2019年初开始对阻挫稀土量子磁体 TMGO 开展研究，通过热力学张量重正化群计算并精确拟合实验结果，研究团队确定了 TMGO 的微观模型和精确参数，并依据此套参数计算了系统的热力学与动力学性质，揭示了其中的涡旋-反涡旋对的旋子激发，并预言 TMGO 中存在 BKT 拓扑相变。这些前期相关理论工作于2020年2月发表在《自然·通讯》（Nat. Commun. 11, 1111 (2020)）。

由于BKT 相变是无穷阶相变，不存在通常意义上的热力学奇异性，对其进行探测需要开辟新的思路。在工作中理论与实验工作者组成密切合作团队，反复讨论后选择了核磁共振（NMR）技术来完成这一极具挑战的任务：即在极低温下（最低温度至400 mK），施加强磁场磁场开展 NMR 探测 BKT 物理。通过实验理论团队的通力合作，设计合理实验方案，精准地检测系统的低能涨落信号，并在0.9 K至 1.9 K 区间寻找到前期理论预言的 BKT 相和相变。

与此同时，研究团队同步开展理论计算，利用量子多体方法也得到了 TMGO 微观模型——三角晶格量子伊辛模型——的自旋-晶格弛豫率1/T1，在与实验测量高度一致的温度区间内，研究团队同样观察到了这个特殊的1/T1平台；另外，通过在低温下测量 TMGO 的直流磁化率，研究团队探测到了小场下磁化率的代数发散行为，从热力学的角度也确定了中间温区代数奇异的自旋关联。理论计算与实验数据对照，提供了TMGO晶体中存在BKT相和相变的有力证据。

示意图（前）二维量子磁体TMGO的有限温度相图及其对应自旋位形，蓝色与红色三角形分别代表破坏“三角形规则”（即自旋指向两上一下或两下一上）的涡旋与反涡旋，（右）TMGO晶体示意，和（后）自旋-晶格驰豫率1/T1结果，TL~0.9K和TU~1.9K之间的平台揭示了两次BKT相变和中间温度区间浮动BKT相的存在。

北航物理学院量子磁性物质研究团队近年来发展迅速。通过发挥在量子多体计算方法上的优势，研究团队结合第一性原理材料计算，在新型多体计算与量子磁性研究方面作出了系列工作。同时，研究团队还与国内外高水平的量子磁性理论与实验研究组密切合作，共同探索强关联、强阻挫磁性材料中的新奇量子物态与多体效应，更多的研究成果可期。

此项工作是多个理论与实验研究组密切合作的结晶，主要合作者包括南京大学温锦生研究组（单晶生长、极低温热力学测量）、中国人民大学于伟强研究组（极低温核磁共振）、香港大学孟子杨研究组（蒙特卡洛计算）和复旦大学戚扬研究组（多体理论）等。相关工作获得国家自然科学基金面上项目和重点项目、北航卓越百人计划和北航青年拔尖人才支持计划等的大力支持。