中山大學物理學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室的姚道新教授和鄔漢青副教授最近在磁場中三聚體自旋鏈的磁激發(fā)理論方面取得重要進展，研究了磁場誘導的量子相變和復合型準粒子激發(fā)等新奇物理現(xiàn)象，獲得了相圖、1/3磁化平臺、雙重子和四重子的磁場劈裂等重要結(jié)果。2024年11月27日，該研究成果以“Quantum phase transition and composite excitations of antiferromagnetic spin trimer chains in a magnetic field”為題，由中山大學作為第一單位，發(fā)表在物理學刊物 NPJ Quantum Materials上。

圖1：(a)—(d) 零場下三聚體自旋鏈的磁激發(fā)能譜；(e)—(h) 自旋子、雙重子和四重子的示意圖。

2022年，該團隊利用量子蒙特卡洛、精確對角化和微擾理論，對一維三聚體反鐵磁自旋鏈（S=1/2）在無磁場條件下的磁激發(fā)特性進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，當三聚體間相互作用J2與三聚體內(nèi)相互作用J1的比值g較小時，系統(tǒng)的磁激發(fā)能譜表現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)（參見圖1），系統(tǒng)的低能行為可以由一個Tomonaga-Luttinger液體基態(tài)的有效自旋鏈來描述，其低能激發(fā)為自旋子(Spinon)激發(fā)。特別地，該團隊在中高能處發(fā)現(xiàn)了兩種新穎的復合型激發(fā)，其對應(yīng)的準粒子為雙重子(Doublon)和四重子(Quarton)。這些準粒子的形成機制如圖1（e-h）所示。這個研究成果已發(fā)表在NPJ Quantum Materials期刊上[NPJ Quantum Materials 7, 3(2022)]。同年，該理論預測被國際團隊通過量子磁體Na2Cu3Ge4O12的非彈性中子散射實驗所證實[Nature Communications 13, 6888 (2022)]。

圖2：（a）含有外加磁場的三聚體自旋鏈；（b）理論相圖；（c）1/3磁化平臺。

在前期的理論和實驗基礎(chǔ)上，姚道新教授和鄔漢青副教授團隊利用密度矩陣重整化群、含時變分原理、團簇微擾理論、精確對角化等方法，進一步深入探索了磁場中反鐵磁三聚體自旋鏈的量子相變和磁激發(fā)物理規(guī)律。首先，通過糾纏熵揭示了XY-I、1/3磁化平臺、XY-II和鐵磁相的存在，如圖2（b）所示。其中， XY-I和XY-II臨界相均為無能隙相，可以用中心荷c?1的共形場論來描述。這些相之間的相變皆為連續(xù)相變。圖2（c）展示了不同三聚體間相互作用下磁化曲線的變化，可以觀察到1/3和完全極化兩個磁化平臺。其次，在三聚體間相互作用比較弱的情況下（如圖3所示），該團隊發(fā)現(xiàn)XY-I和1/3磁化平臺相中的中能和高能磁激發(fā)主要源自三聚體內(nèi)部激發(fā)，分別對應(yīng)于雙重子和四重子的激發(fā)。隨著磁場的增強，四重子激發(fā)劈裂為上支和下支，其中下支不斷下降接近零能。此外，該團隊還探索了與量子磁體Na2Cu3Ge4O12實驗相關(guān)的阻挫三聚體系統(tǒng)的自旋動力學和磁化曲線，并討論了下支四重子在XY-II相產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚的可能性。這些理論結(jié)果為相關(guān)量子材料的非彈性中子散射和共振非彈性 X 射線散射等實驗提供了物理機理解釋和現(xiàn)象預測。

圖3：外磁場中三聚體自旋鏈的磁激發(fā)能譜。

該研究成果該研究成果已于2024年11月27日在NPJ Quantum Materials期刊上正式發(fā)表[NPJ Quantum Materials 9，96 (2024), DOI: 10.1038/s41535-024-00705-8]。我院已出站博士后程俊青為該論文的第一作者，現(xiàn)就職于大灣區(qū)大學（籌），姚道新教授和鄔漢青副教授為該論文的共同通訊作者，已畢業(yè)的本科生寧志堯（現(xiàn)為東京大學在讀博士生）也參與了該項工作。中山大學的理論研究工作依托物理學院公共科研平臺和中子科學與技術(shù)中心平臺、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、廣東省磁電物性基礎(chǔ)學科研究中心（物理學）、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、高等學術(shù)研究中心。計算工作依托中山大學國家超級計算廣州中心。

上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東特支計劃領(lǐng)軍人才、廣東省科協(xié)青年科技人才培育計劃等的資助。