复旦大学赵俊&陈钢Nat. Commu.（Editors’ Highlights）：部分磁化的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的分数化激发

【引言】

在磁性有序Mott绝缘体中，元激发是自旋波状的磁振子模式并带有整数的自旋量子数。在量子自旋液体（QSLs）中，Anderson首次提出无序自旋状态，QSL不具有长程磁序，是一种具有长程量子纠缠的新奇量子态。该量子态无法用朗道所开创的相变和序参量理论描述，而需采用具有分数化的自旋量子数的解禁自旋子激发的规范结构加以刻画。根据QSL基态的类型，从玻色子到费米子，甚至是任意子，自旋振子激发的统计量都是不同的。大多数情况下，自旋量子数分馏和自旋振子激发可以通过组合一些实验工具加以测试，如热力学、热输运和光谱测量仪器等。最近研究发现，三角晶格单晶QSL候选材料YbMgGaO₄为研究QSL提供了一种新的测试平台，有的研究人员认为自旋-轨道纠缠所引起的各向异性相互作用可能引发强烈的量子涨落，从而有助于稳定QSL状态。更重要的是，当前的非弹性中子散射测量结果发现一种广泛的自旋激发连续体，其覆盖了布里渊区的大部分区域。

【成果简介】

近日，复旦大学的赵俊教授和陈钢教授（共同通讯作者）等人发现量子自旋液体候选材料YbMgGaO₄中的磁激发随外场的演化符合具有费米面的量子自旋液体状态的行为，为该系统中存在量子自旋液态提供了进一步的证据。研究人员在各种磁场下使用中子散射技术研究YbMgGaO₄中的自旋子激发，其数据结果表明了在弱磁场下（H=2.5 T）具有清晰的上下激发边界的色散自旋子激发连续体，此外在Zeeman分裂能的Γ点处出现了光谱交叉现象。相应光谱权重的重新分配及其相关场的演化与基于Zeeman分裂自旋子带的带间和带内自旋颗粒-空穴激发的理论预测一致，这就意味着在YbMgGaO₄中部分磁化的QSL态存在分数化激发和自旋子费米表面。相关成果以题为“Fractionalized excitations in the partially magnetized spin liquid candidate YbMgGaO₄”发表于国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图一 磁场下YbMgGaO₄的磁化和自旋子激发

（a）在T=2 K下，磁化对磁场的依赖曲线，其中虚线表示磁化强度在~7 T以上的线性拟合
（b-d）在70 mK，磁场强度为2.5 T下指定能量的等能图像，色条表示线性尺度任意单元的散射强度，虚线代表布里渊区边界，在ThALES上采用Flatcone探测器收集的数据而且用相似的方法收集中子束自衰减

图二 自旋激发光谱沿着高对称方向在70 mK，2.5和9.5 T时的的强度

（a）在2.5 T时沿着图c中黑线所描述的高对称方向的能量依赖强度的等高线图，白色虚线表示基于方法中的自旋子费米表面模型所计算的连续体边界
（b）在9.5 T，接近极化态中的能量依赖强度的等高线图，图中的色条表示线性尺度中任意单元的散射强度
（c）倒易空间示意图，虚线表示布里渊区边界
（d）动量空间中沿着高对称点（垂直虚线）的分裂自旋子带结构，t1是最近邻的自旋子跳跃，蓝色和橙色带分别是自旋向下和自旋向上的自旋子，水平虚线表示费米能级，实线箭头表示自旋翻转带间的粒子-空穴激发，而虚线箭头表示自旋非翻转带内的粒子-空穴激发

图三 在2.5 T，70mK时恒定能量扫描图

切口是在指定的能量上沿着高对称方向的，Γ-M-Γ-M-K-Γ，误差棒，1 s.d；a.u，任意单元

图四 70 mK时常量Q切口在沿着高对称点的场依赖性

（a）不同场在70 mK和Γ₁点的常量Q扫描
（b）在（a）中所给出光谱位置的线性拟合
（c，d）在M₀和K₁点的常量Q扫描
~0.2 meV的高强度是由于E=0 meV处的非相干弹性散射所造成的背景污染，在单机模式下采集数据

【小结】

本文采用非弹性中子散射技术在各种外加磁场下研究YbMgGaO₄单晶的自旋激发，当沿着c轴施加一个弱磁场时，显示出一个具有清晰的上下激发边缘的分散自旋激发连续体，这样就会在Zeeman分裂能的Γ点处出现光谱交叉。该研究取得的一系列结果表明YbMgGaO₄中的磁激发随外场的演化关系与具有费米面的量子自旋液体态中的自旋子激发相吻合，为量子自旋液体态在YbMgGaO₄中的存在提供了新的证据，也为证明量子自旋液体态的实现提供了全新的思路。

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

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿，材料牛整理编辑。

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