赵俊：部分磁化的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4中的分数化激发

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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。

近日，复旦大学的赵俊教授和陈钢教授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。

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）