最新的一期science中，中國人民大學理學院實體學系于偉強課題組和俞榕課題組、美國波士頓大學 Anders W. Sandvik 課題組、中國科學院實體研究所李世亮課題組等合作，在一種準二維阻挫量子磁性材料中，借助高壓、強磁場、極低溫的調控和核磁共振譜學測試，發現了一種超越朗道相變理論範式的新型量子相變現象，即解禁閉量子臨界，并首次給出了解禁閉量子臨界點附近量子臨界行為的确鑿實驗證據。該論文是中國人民大學首次以第一完成機關在Science正刊上發表的科研論文。
量子磁性系統中的強量子漲落效應會産生豐富并互相競争的量子物态。近二十年來，随着高端譜學和量子多體計算技術的發展，對量子磁性材料的研究成為國際上一個非常活躍的前沿領域。
“Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2”為該論文題目，于2023年5月26日以“First Release”形式線上發表在Science（《科學》期刊）上。
研究簡述
該實驗載體為一種準二維的自旋阻挫磁性材料，即其微觀模型中存在近鄰和次近鄰格點上互相競争的反鐵磁交換作用。理論認為，自旋阻挫體系蘊藏着量子自旋液體、自旋超固态、分數化磁化平台等奇異量子物态，并可能成為量子資訊、量子計算和量子傳感器的載體。在強磁場、高壓等調控下，這些競争物态之間也可能發生量子相變，即由量子漲落所驅動的基态之間的相變。如果序參量在相變處連續過渡，該相變點稱為量子臨界點：在臨界點附近有限溫度的一個扇形區域内，系統某些實體量表現出一系列随調控參量變化的标度行為，湧現出新奇的元激發并表現在系統的動力學行為中。但研究發現，絕大部分相變可以統一于基于自發對稱性破缺和重正化群的朗道相變理論架構内。朗道相變理論是現代凝聚态實體學重要的基礎理論範式之一。
近年來随着分數量子霍爾效應的實驗發現和量子自旋液體概念的提出，實體學家對朗道相變理論是否可以統一描述所有物态間的相變産生了疑問，引起了強關聯電子領域衆多國際知名專家的關注與研究。其中一個重要問題是在兩種自發對稱破缺态之間是否有連續的量子相變。以磁驅動的價鍵固體态和反鐵磁态間的相變為例，由于兩種态分别自發破缺了晶格平移和自旋旋轉兩種互不相容的對稱性，在朗道相變理論架構下，它們之間隻能發生一個不連續的一級相變；然而在本世紀初，一些理論學家提出該相變可能是連續的，即超越朗道理論範式的解禁閉量子臨界，在其附近呈現出新奇的解禁閉分數化元激發。這些理論工作為量子相變的研究打開了一個全新的方向，然而尚缺乏實驗證據的支援。非常有趣的是，準二維阻挫磁性材料SrCu2(BO3)2（圖一a）在壓強調控下，基态可能呈現規則的價鍵固體态，是研究價鍵固體——反鐵磁相變的理想實驗平台。
在本工作中，李世亮課題組提供了高品質單晶樣品。于偉強教授課題組運用核磁共振譜學測試技術，結合2.4萬大氣壓、50毫開爾文極低溫和15特斯拉強磁場的聯合調控，在該材料中首次發現了解禁閉量子臨界點存在的實驗證據。他們首先通過高壓核磁共振譜确認了拼闆價鍵固體态，并發現磁場驅動的反鐵磁态（圖一b）。這是首次在該材料中通過多場調控實作并确認了價鍵固體-反鐵磁的量子相變。
圖一
a SrCu2(BO3)2材料的原子結構
b 2.1萬大氣壓下磁場驅動的價鍵固體态（PS）——反鐵磁态（AFM）的量子相變相圖
c 2.4萬大氣壓下核磁共振自旋晶格弛豫率1/T1呈現的量子臨界标度行為。
實驗發現該相變是一個弱一級相變（圖一 b），兩邊的相變溫度表現出和磁場依賴關系的對偶性；其轉變溫度僅約70毫開爾文，遠低于兩種态在遠離相變點實作有序化的溫度，因而接近零溫極限下的連續量子相變。他們進一步對系統的元激發性質進行研究，在2.4萬大氣壓的相變點附近觀測到了核磁共振自旋晶格弛豫率 1/T1 符合量子臨界幂率标度行為（圖一c）。臨界标度行為的出現，是系統接近量子臨界點的又一證據。在通常的反鐵磁相中，低能激發為帶整數自旋的自旋波，相變點的1/T1 對應的臨界幂率指數幾乎為零。然而，這裡實驗測量發現了幂律指數約為0.2，是系統中存在低能分數化自旋激發的重要動力學特征。
同時，俞榕課題組和Anders W. Sandvik 課題組通過相關數值模拟和計算，發現在該類相變點附近的價鍵固體（Z2對稱破缺）與反鐵磁（U(1)對稱破缺）序參量遵循增強的O(3) 旋轉對稱性（圖二a-d）。綜上所述，兩種相的對偶性和異常低的相變溫度、相變點附近的奇異量子臨界行為，以及增強的連續旋轉對稱性清晰表明該相變鄰近一個解禁閉量子臨界點。
需要說明的是，解禁閉量子臨界現象伴随着分數化元激發、演生規範場、增強的連續對稱性、貝裡相位的連續變化等一系列奇異和互相糾纏的性質，并且與量子自旋液體、高溫超導和強關聯拓撲物态等有着深刻的聯系。本工作為解禁閉量子臨界的存在提供了堅實的實驗基礎，同時為阻挫量子磁性與量子臨界的研究注入了新的活力，預期對凝聚态實體新範式的建立起到促進作用。
圖二
a 理論相圖
b-d 理論模型中價鍵固體序參量分别在價鍵固體态、相變點與反鐵磁相中的分布，其中相變點處的平台型分布表明系統存在增強的O(3)對稱性
該論文以中國人民大學為第一完成機關，中科院實體所、北京理工大學和波士頓大學分别為論文第二、第三和第四完成機關。中國人民大學實體學系講師崔祎、博士生林慧航與北京理工大學助理教授劉錄為論文共同第一作者；中國人民大學實體學系于偉強教授、俞榕教授與美國波士頓大學實體學系 Anders W. Sandvik 教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院先導專項、北京理工大學青年研究經費和中國人民大學科研經費等項目的資助。
課題組簡介
近年來，在中國人民大學理工學科建設處、理學院及實體學系的支援下，形成了以于偉強、俞榕、劉正鑫、謝志遠、崔祎等為骨幹的量子磁性合作研究團隊，長期研究非正常超導、低維和阻挫磁性體系中的量子磁學性質，在量子自旋液體、KT拓撲相、量子臨界、E8代數态和玻色玻璃等現象的發現和物性研究方面取得了多項有國際影響力的研究成果，為本課題中解禁閉量子臨界現象的實作奠定了實驗和理論基礎。
于偉強課題組專長凝聚态核磁共振譜學測試，發展了高壓、強磁場、極低溫等聯合極端條件下的譜學技術。課題組以量子磁性為課題，堅持測試技術開發，在極低溫、強磁場、高壓等聯合極端條件核磁共振測試技術方面處于國際領先；自主開發了核磁共振自動測試程式，大幅提高了譜儀使用機時；結合譜學模拟等，持續提高譜學分析能力。課題組在超導材料中實作了離子液體氫化調控超導相變溫度，在反鐵磁材料中發現E8代數态，發現磁場調控實作量子自旋液體的新思路，首次在磁性材料中發現BKT相，首次在阻挫材料中發現解禁閉量子臨界現象。
俞榕課題組專長強關聯體系的量子蒙卡模拟和計算。課題組近年來獨立發展了針對多軌道強關聯電子系統的隸自旋方法，提出了鐵基超導的軌道選擇機制與自旋驅動的向列序機制；發現若幹反鐵磁系統中的玻色玻璃、自旋液體等奇異量子物态及其相關量子相變的臨界标度行為。