復旦大學趙俊&陳鋼Nat. Commu.（Editors’ Highlights）：部分磁化的量子自旋液體候選材料YbMgGaO4中的分數化激發

【引言】

在磁性有序Mott絕緣體中，元激發是自旋波狀的磁振子模式并帶有整數的自旋量子數。在量子自旋液體（QSLs）中，Anderson首次提出無序自旋狀態，QSL不具有長程磁序，是一種具有長程量子糾纏的新奇量子態。該量子態無法用朗道所開創的相變和序參量理論描述，而需采用具有分數化的自旋量子數的解禁自旋子激發的規范結構加以刻畫。根據QSL基態的類型，從玻色子到費米子，甚至是任意子，自旋振子激發的統計量都是不同的。大多數情況下，自旋量子數分餾和自旋振子激發可以通過組合一些實驗工具加以測試，如熱力學、熱輸運和光譜測量儀器等。最近研究發現，三角晶格單晶QSL候選材料YbMgGaO₄為研究QSL提供了一種新的測試平臺，有的研究人員認為自旋-軌道糾纏所引起的各向異性相互作用可能引發強烈的量子漲落，從而有助于穩定QSL狀態。更重要的是，當前的非彈性中子散射測量結果發現一種廣泛的自旋激發連續體，其覆蓋了布里淵區的大部分區域。

【成果簡介】

近日，復旦大學的趙俊教授和陳鋼教授（共同通訊作者）等人發現量子自旋液體候選材料YbMgGaO₄中的磁激發隨外場的演化符合具有費米面的量子自旋液體狀態的行為，為該系統中存在量子自旋液態提供了進一步的證據。研究人員在各種磁場下使用中子散射技術研究YbMgGaO₄中的自旋子激發，其數據結果表明了在弱磁場下（H=2.5 T）具有清晰的上下激發邊界的色散自旋子激發連續體，此外在Zeeman分裂能的Γ點處出現了光譜交叉現象。相應光譜權重的重新分配及其相關場的演化與基于Zeeman分裂自旋子帶的帶間和帶內自旋顆粒-空穴激發的理論預測一致，這就意味著在YbMgGaO₄中部分磁化的QSL態存在分數化激發和自旋子費米表面。相關成果以題為“Fractionalized excitations in the partially magnetized spin liquid candidate YbMgGaO₄”發表于國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖一 磁場下YbMgGaO₄的磁化和自旋子激發

（a）在T=2 K下，磁化對磁場的依賴曲線，其中虛線表示磁化強度在~7 T以上的線性擬合
（b-d）在70 mK，磁場強度為2.5 T下指定能量的等能圖像，色條表示線性尺度任意單元的散射強度，虛線代表布里淵區邊界，在ThALES上采用Flatcone探測器收集的數據而且用相似的方法收集中子束自衰減

圖二 自旋激發光譜沿著高對稱方向在70 mK，2.5和9.5 T時的的強度

（a）在2.5 T時沿著圖c中黑線所描述的高對稱方向的能量依賴強度的等高線圖，白色虛線表示基于方法中的自旋子費米表面模型所計算的連續體邊界
（b）在9.5 T，接近極化態中的能量依賴強度的等高線圖，圖中的色條表示線性尺度中任意單元的散射強度
（c）倒易空間示意圖，虛線表示布里淵區邊界
（d）動量空間中沿著高對稱點（垂直虛線）的分裂自旋子帶結構，t1是最近鄰的自旋子跳躍，藍色和橙色帶分別是自旋向下和自旋向上的自旋子，水平虛線表示費米能級，實線箭頭表示自旋翻轉帶間的粒子-空穴激發，而虛線箭頭表示自旋非翻轉帶內的粒子-空穴激發

圖三 在2.5 T，70mK時恒定能量掃描圖

切口是在指定的能量上沿著高對稱方向的，Γ-M-Γ-M-K-Γ，誤差棒，1 s.d；a.u，任意單元

圖四 70 mK時常量Q切口在沿著高對稱點的場依賴性

（a）不同場在70 mK和Γ₁點的常量Q掃描
（b）在（a）中所給出光譜位置的線性擬合
（c，d）在M₀和K₁點的常量Q掃描
~0.2 meV的高強度是由于E=0 meV處的非相干彈性散射所造成的背景污染，在單機模式下采集數據

【小結】

本文采用非彈性中子散射技術在各種外加磁場下研究YbMgGaO₄單晶的自旋激發，當沿著c軸施加一個弱磁場時，顯示出一個具有清晰的上下激發邊緣的分散自旋激發連續體，這樣就會在Zeeman分裂能的Γ點處出現光譜交叉。該研究取得的一系列結果表明YbMgGaO₄中的磁激發隨外場的演化關系與具有費米面的量子自旋液體態中的自旋子激發相吻合，為量子自旋液體態在YbMgGaO₄中的存在提供了新的證據，也為證明量子自旋液體態的實現提供了全新的思路。

文獻連接：Fractionalized excitations in the partially magnetized spin liquid candidate YbMgGaO₄（Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06588-1）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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