清華新聞網(wǎng)12月6日電 近日，清華大學(xué)高等研究院姚宏研究組首次提出高自旋的姚-李模型（Yao-Lee model）并闡明其基態(tài)是一種新奇的量子自旋軌道液體（quantum spin-orbital liquid）。這一重要研究進(jìn)展為新奇拓?fù)湮飸B(tài)的探索提供了新的方向，并有望推動拓?fù)淞孔佑?jì)算及新型材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)發(fā)展。
量子自旋軌道液體是一類具有長程量子糾纏的新奇量子物態(tài)。由于其豐富而獨(dú)特的物理性質(zhì)，如拓?fù)湫颉⑷我庾蛹ぐl(fā)、去禁閉的分?jǐn)?shù)化激發(fā)等，以及其與高溫超導(dǎo)微觀機(jī)制和拓?fù)淞孔佑?jì)算的緊密關(guān)聯(lián)，量子自旋液體在過去幾十年間引起了不同領(lǐng)域物理學(xué)家的廣泛關(guān)注和深入研究。與傳統(tǒng)的自發(fā)對稱性破缺相不同，量子自旋軌道液體的實(shí)現(xiàn)通常要求量子體系滿足更為嚴(yán)苛的條件，例如足夠強(qiáng)的自旋或軌道阻挫。這使得在材料預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中確定量子自旋軌道液體具有挑戰(zhàn)性。此外，目前理論上已知能夠?qū)崿F(xiàn)這種量子物態(tài)的二維微觀晶格模型仍然非常稀少。
該研究中，姚宏研究組將自旋1/2的姚-李模型推廣到高自旋并證明其基態(tài)具有非平庸的拓?fù)湫颉Ｗ孕齋=1/2的姚-李模型由姚宏教授和加州大學(xué)伯克利分校李東海教授于2011年提出，在先前研究中被發(fā)現(xiàn)具有嚴(yán)格可解性，其拓?fù)浼ぐl(fā)可具有自旋對稱性保護(hù)的多重馬約拉納零能模。高自旋的姚-李模型的基態(tài)目前尚不能被嚴(yán)格求解，姚宏研究組通過分析高自旋的姚-李模型的嚴(yán)格的規(guī)范結(jié)構(gòu)，證明其基態(tài)必定為拓?fù)浞瞧接沟牧孔幼孕壍酪后w。更進(jìn)一步，研究通過可控的理論分析，論證了這些高自旋模型可實(shí)現(xiàn)無能隙甚至非阿貝爾的量子自旋軌道液體相，并構(gòu)造了嚴(yán)格的去禁閉非阿貝爾自旋分?jǐn)?shù)化激發(fā)，有可應(yīng)用于拓?fù)淞孔佑?jì)算的前景。
二維蜂窩晶格的姚-李模型及其元激發(fā)的示意圖
相關(guān)研究成果以“高自旋姚-李模型中的精確去定義規(guī)范結(jié)構(gòu)：一種具有自旋分餾和非交換任意子的量子自旋軌道液體”（Exact Deconfined Gauge Structures in the Higher-Spin Yao-Lee Model: A Quantum Spin-Orbital Liquid with Spin Fractionalization and Non-AbelianAnyons）為題，12月5日發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
清華大學(xué)高等研究院博士后武爭志（現(xiàn)為牛津大學(xué)博士后）和2018級博士生張景云為論文共同第一作者，教授姚宏為論文通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委員會理論物理專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、新基石科學(xué)基金會“科學(xué)探索獎”、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃等的資助。
論文鏈接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.236504
供稿：高研院
編輯：李華山
審核：郭玲
