科學家發現籠目反鐵磁體中存在狄拉克自旋子的譜學證據
發布時間:2024.06.04        閱讀次數:

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SC8研究組博士研究生曾振源和研究員李世亮,聯合香港大學教授孟子楊、日本大強度質子加速器設施中心教授Kenji Nakajima等,利用非彈性中子散射技術測量了具有二維籠目結構的YCu3(OD)6Br2[Br0.33(OD)0.67]中的自旋激發譜,發現其低能自旋激發的形式為狄拉克錐形狀的連續譜,給出了該體系中存在狄拉克自旋子的譜學證據。

有研究表明YCu3(OH)6Br2[Br0.33(OH)0.67]材料是具有研究價值的量子自旋液體候選材料。該材料中具有S=1/2自旋的Cu2+離子構成了二維籠目晶格。YCu3的居里外斯溫度約為-80K,表明具有很強的反鐵磁相互作用。直到50mK的低溫下,該體系仍未進入磁有序態,暗示了量子自旋液體的基態。該材料的極低溫磁比熱在零場下正比于溫度的平方,而在磁場下則出現了線性項,與狄拉克量子自旋液體相符。為了進一步確定YCu3基態,該研究采用非彈性中子散射技術測量了YCu3自旋激發。這是由于目前缺少對于單自旋子直接測量的手段,而非彈性中子散射可以探測雙自旋子激發,給出雙自旋子激發在能量和動量空間中的分布,并可與相關理論計算結果進行比較,從而獲得較為可靠的信息。

研究發現,在低能時該體系的自旋激發位于布里淵區的六個對稱點。隨著能量的增加,激發的范圍逐漸擴大并最終互相連接。如果觀察自旋激發隨能量的變化,可以清楚看到整體成錐形。隨著溫度的上升,這些低能激發在30K時幾乎完全消失。進一步,分析發現,各個位置低能自旋激發的相對強度可以由隨機排布的最近鄰自旋單態的結構因子描述。研究顯示,通過洛倫茲線型對不同能量處自旋激發擬合,可以獲得其半高寬隨能量的線性關系,與狄拉克錐型的激發一致;通過該線性關系斜率,可以估算出自旋子速度約為1km/s。該工作利用這一自旋子速度并根據相關理論計算出的比熱與實驗測量值相符,進一步驗證了狄拉克型自旋子的存在。

近期,相關研究成果發表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。研究工作得到科學技術部和中國科學院等的支持。

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