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南京大学温锦生团队与协作者初次在实在磁性资料系统中发明了Berezinskii-Kosterlitz-Thouless拓扑相

时候:2020-11-09阅读:31

南京大学物理学院温锦生团队和中国国民大学于伟强团队、北京航空航天大学李伟团队,香港大学/中国迷信院物理研讨所孟子杨团队、和复旦大学戚扬等人通力协作,经由过程极高温下的磁化率和核磁共振尝试,并连系量子蒙特卡洛摹拟,瞄准二维阻挫磁体TmMgGaO4展开研讨,初次在实在磁性资料系统中察看到了Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 这一最早被实际所预言的拓扑相。该研讨功效克日以"Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet"为题,颁发在《天然-通信》上 []。

2016年的诺贝尔物理学奖颁给了Thouless、Haldane和Kosterlitz三位传授,以惩处他们在实际上对于物资的拓扑相变和拓扑相方面做出的首创性任务。此中的Thouless和Kosterlitz二位传授,和厥后的Berezinskii传授在二维磁性系统中提出的BKT物理机制是促进此次获奖的首要进献之一。BKT相是第一种超出了朗道范式的新奇拓扑相,不能用传统的序参量来描写,也不伴有任何的自觉对称性破缺,代表了一种全新的量子物态。这一前驱拓扑物态的提出,使得拓扑相及其相变成了凝集态物理范畴一个很是活泼的研讨标的目的。

BKT实际提出至今已有半个世纪的时候,可是最后预言该相存在于二维磁体中的论断一向未获得证明。今朝仅在超流氦薄膜和二维超导薄膜等系统中察看到了一些零散的尝试迹象,贫乏直观明白的尝试证据。究其缘由,首要有两个方面:起首是准二维磁性资料中的三维磁耦协感化(固然很弱)会加强系统的涡旋束缚势,很大水平上会致使系统呈现磁有序景象,从而袒护BKT相;其次是即便能找到一种较为抱负的磁性系统,在尝试上,须要在适合的参数地区顶用对低能磁激起高度敏感的探测手腕。固然之后人们也在(准)二维磁体中做了良多尽力,可是这些严苛的选材和丈量请求使得尝试停顿极为迟缓。

此前,该协作团队的实际构成员李伟、孟子杨和戚扬等人提出,准二维多少阻挫磁体TmMgGaO4能够用三角晶格横场量子伊辛模子来描写,且在资料的参数空间内存在BKT[Nature Communications 11, 1111 (2020)]。为了找到BKT相存在于磁性资料中的间接证据,温锦生和于伟强尝试结合团队发展出了高品质的TmMgGaO4单晶样品,起首应用高度敏感的低能探测手腕--核磁同振 (NMR) 手艺,在晶体的ab面内施加3 T强度的磁场,如许就能够间接搜集69GaNMR旌旗灯号,同时奇妙地躲避外场对系统低能电子态的搅扰。这首要是因为该资料为三角晶格量子伊辛系统,磁矩指向面外,面内的磁矩和g因子几近能够疏忽,是以相称于给系统施加了一个让NMR旌旗灯号能够被检测到的“零场”。图 1 (a) 69Ga在差别温度下的NMR谱,能够清晰地看到在温度低于2 K时,NMR频谱的峰不再是一个摆布对称的峰型,申明此温度下,系统状况产生了转变,不再是纯真的顺磁无序相。为了进一步分辩磁相变,该团队对谱的超邃密挪动69Kn的数据停止了阐发,如图 1 (b)所示。69Kn随温度降落而降落,到0.9 K到达峰值后起头随温度降落而降落,申明此温度之下系统起头进入到不变的反铁磁态。自旋-晶格弛豫率1/T1能更直观地反应系统本征的低能涨落,其成果如图 1 (c)所示。1/T1一起头随温度降落而降落,到2 K摆布起头疾速增添,标明低能强自旋涨落的呈现。在0.9 K以下,系统呈现长程磁有序,1/T1又起头降落。尤其出格的是,在0.9 K1.9 K温度区间察看到了很是较着的1/T1平台景象。这清晰地标明该系统存在两个相变点,且在两个相变点之间固然不长程有序,但存在很强的磁涨落景象——这被以为是BKT相的关头性标记。由此,确认了BKT相的存在和该相的高低边境。实际团队的量子蒙特卡洛摹拟也考证了这一尝试论断,其成果如图 1 (d)所示。

1. (a) TmMgGaO4单晶在3 T的面内磁场下,69Ga元素在差别温度下的NMR谱; (b) NMR超邃密挪动69Kn随温度的变更干系;(c) NMR自旋-晶格弛豫率1/69T1随温度的变更干系;(d) 量子蒙特卡洛对1/69T1数据摹拟的计较成果。

为了进一步确认NMR获得的论断,尝试团队对TmMgGaO4单晶样品停止了极高温的磁化率测试,其成果如图 2所示。如图2a)所示,在磁场平行于c轴时,磁化率在1 K随磁场增添而减小,标明了在此温度以下磁性联系干系的成立。图2b)展现了微分磁化率dM/dH随磁场的演变,从中能够看出0.8 K1.6 K的曲线各有两个相变温度。基于三角晶格伊辛模子的场论阐发指出,给样品施加一个较弱的面外磁场时,微分磁化率在趋近于BKT相时该当表现出差别的幂指数函数行动,即dM/dH ~ H-α。实际展望,当温度处于在BKT相的下边境四周时,因为系统的六重对称性破缺,α的值应为2/3,当温度增添时,其值逐步减小。当温度到BKT相的上边境以下的某一中心温度时,α的值为0。这一实际展望也获得了尝试的考证,进一步证明了在0.9 K 1.9 K温区内,系统处于BKT相。详细的尝试数据和实际阐发的成果如图 2 (c) (d)所示。

2. (a) TmMgGaO4在差别晶体标的目的的直流磁化率曲线; (b) 差别温度下的微分磁化率成果; (c) 用差别的幂指数函数对差别温度下的微分磁化率停止拟合的成果,即dM/dH ~ H-α; (d) 量子蒙特卡洛计较获得的微分磁化率和磁场的幂指数函数干系。

基于已有的尝试数据,该团队总结出了面外磁场下系统的磁相图,如图 3所示。零场时,BKT相呈现在高温顺磁相和高温反铁磁相之间,NMR和磁化率成果间接肯定了该相变的高低边境。在无限场地区,NMR、磁化率、比热等多种尝试手腕相互左证,给出了高度分歧的相边境。

3. TmMgGaO4在面外磁场下的相图。

该任务降服了在磁性晶体资料中寻觅和探测BKT相的两重坚苦,经由过程核磁共振和磁化率尝试和量子蒙特卡洛计较,初次在实在磁性资料系统中心接"捕获"到BKT相。经由过程该尝试构建出了完全、丰硕的相图,为进一步研讨跟BKT拓扑物相和阻挫量子磁性相干的物理供给了抱负的平台。

南京大学物理学院博士生马祯(已毕业)为论文配合第一作者,南京大学温锦生、中国国民大学于伟强、北京航空航天大学李伟、香港大学/中科院物理所孟子杨和复旦大学戚扬为配合通信作者。包含马祯、上官艳艳、黄振涛在内的温锦生团队成员发展了高品质的单晶样品,停止了极高温的磁化率丈量和相干数据阐发,核磁共振尝试则因为伟强团队担任。李伟、孟子杨和戚扬团队供给了实际撑持。该任务获得了国度天然迷信基金、一流大学和一流学科扶植打算、江苏省天然迷信基金、固体微布局物理国度重点尝试室的撑持。

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