中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室的姚道新教授和邬汉青副教授最近在磁场中三聚体自旋链的磁激发理论方面取得重要进展，研究了磁场诱导的量子相变和复合型准粒子激发等新奇物理现象，获得了相图、1/3磁化平台、双重子和四重子的磁场劈裂等重要结果。2024年11月27日，该研究成果以“Quantum phase transition and composite excitations of antiferromagnetic spin trimer chains in a magnetic field”为题，由中山大学作为第一单位，发表在物理学刊物 NPJ Quantum Materials上。
图1：(a)—(d) 零场下三聚体自旋链的磁激发能谱；(e)—(h) 自旋子、双重子和四重子的示意图。
2022年，该团队利用量子蒙特卡洛、精确对角化和微扰理论，对一维三聚体反铁磁自旋链（S=1/2）在无磁场条件下的磁激发特性进行了深入研究。研究发现，当三聚体间相互作用J2与三聚体内相互作用J1的比值g较小时，系统的磁激发能谱表现出丰富的结构（参见图1），系统的低能行为可以由一个Tomonaga-Luttinger液体基态的有效自旋链来描述，其低能激发为自旋子(Spinon)激发。特别地，该团队在中高能处发现了两种新颖的复合型激发，其对应的准粒子为双重子(Doublon)和四重子(Quarton)。这些准粒子的形成机制如图1（e-h）所示。这个研究成果已发表在NPJ Quantum Materials期刊上[NPJ Quantum Materials 7, 3(2022)]。同年，该理论预测被国际团队通过量子磁体Na2Cu3Ge4O12的非弹性中子散射实验所证实[Nature Communications 13, 6888 (2022)]。
图2：（a）含有外加磁场的三聚体自旋链；（b）理论相图；（c）1/3磁化平台。
在前期的理论和实验基础上，姚道新教授和邬汉青副教授团队利用密度矩阵重整化群、含时变分原理、团簇微扰理论、精确对角化等方法，进一步深入探索了磁场中反铁磁三聚体自旋链的量子相变和磁激发物理规律。首先，通过纠缠熵揭示了XY-I、1/3磁化平台、XY-II和铁磁相的存在，如图2（b）所示。其中， XY-I和XY-II临界相均为无能隙相，可以用中心荷c≃1的共形场论来描述。这些相之间的相变皆为连续相变。图2（c）展示了不同三聚体间相互作用下磁化曲线的变化，可以观察到1/3和完全极化两个磁化平台。其次，在三聚体间相互作用比较弱的情况下（如图3所示），该团队发现XY-I和1/3磁化平台相中的中能和高能磁激发主要源自三聚体内部激发，分别对应于双重子和四重子的激发。随着磁场的增强，四重子激发劈裂为上支和下支，其中下支不断下降接近零能。此外，该团队还探索了与量子磁体Na2Cu3Ge4O12实验相关的阻挫三聚体系统的自旋动力学和磁化曲线，并讨论了下支四重子在XY-II相产生玻色-爱因斯坦凝聚的可能性。这些理论结果为相关量子材料的非弹性中子散射和共振非弹性 X 射线散射等实验提供了物理机理解释和现象预测。
图3：外磁场中三聚体自旋链的磁激发能谱。
该研究成果该研究成果已于2024年11月27日在NPJ Quantum Materials期刊上正式发表[NPJ Quantum Materials 9，96 (2024), DOI: 10.1038/s41535-024-00705-8]。我院已出站博士后程俊青为该论文的第一作者，现就职于大湾区大学（筹），姚道新教授和邬汉青副教授为该论文的共同通讯作者，已毕业的本科生宁志尧（现为东京大学在读博士生）也参与了该项工作。中山大学的理论研究工作依托物理学院公共科研平台和中子科学与技术中心平台、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）、光电材料与技术国家重点实验室、高等学术研究中心。计算工作依托中山大学国家超级计算广州中心。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才、广东省科协青年科技人才培育计划等的资助。
