自旋液體的拓?fù)浼ぐl(fā)致冷

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】極低溫制冷是獲取一個(gè)開爾文以下的低溫環(huán)境并提供一定冷量的先進(jìn)技術(shù)，是眾多基礎(chǔ)和前沿科學(xué)探索的關(guān)鍵。在量子物理、凝聚態(tài)物理、高能物理等諸多領(lǐng)域中，人們在極低溫條件下揭示了新的物理現(xiàn)象和規(guī)律，包括超導(dǎo)、超流、量子霍爾效應(yīng)，宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)，極低溫制冷也是量子科技，深空探測，物質(zhì)科學(xué)，精密測量等重要領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。絕熱去磁致冷，通過磁場調(diào)控順磁材料中近乎自由的磁矩，可獲得亞開爾文溫區(qū)的低溫。但作為工質(zhì)的順磁材料主要是水合物鹽類，存在固有的局限性，如磁性離子密度低、熱導(dǎo)率不足、化學(xué)穩(wěn)定性較差等。為克服這些限制并推進(jìn)低溫固態(tài)制冷技術(shù)的發(fā)展，亟需從源頭開展理論創(chuàng)新。
 

　　有效調(diào)控新奇量子物態(tài)中的集體激發(fā)及其磁卡效應(yīng)(magnetocaloric effect)，是極低溫固態(tài)制冷的有效新途徑。最近，中國科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員與合作者對Kitaev六角晶格自旋液體模型開展理論研究，提出通過外場有效調(diào)控自旋液體態(tài)中的自旋子與規(guī)范場激發(fā)等，例如拓?fù)鋃2渦旋激發(fā)(vison)。利用這些激發(fā)所攜帶的巨大低溫熵，可以實(shí)現(xiàn)一種全新的磁卡效應(yīng)機(jī)制——自旋液體拓?fù)浼ぐl(fā)致冷。
 

　　采用自主發(fā)展的先進(jìn)有限溫度張量重正化群方法，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了Kitaev六角晶格自旋液體模型的低溫性質(zhì)。對于鐵磁Kitaev情況，通過自旋分?jǐn)?shù)化產(chǎn)生了近乎自由的Z2渦旋。在一定溫區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)磁性可以用修正居里常數(shù)的順磁狀態(tài)方程來描述。因此，與順磁體系絕熱去磁類似，Z2渦旋的熵也可以通過磁場有效調(diào)控。從整齊排列的自旋極化相進(jìn)入漲落的自旋液體相，由于Z2拓?fù)浼ぐl(fā)攜帶體系一半的磁熵，可以從環(huán)境中帶走大量的熱量，產(chǎn)生強(qiáng)烈的致冷效應(yīng)(圖1)。
 

　　對于反鐵磁Kitaev情況，熱張量網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果支持中間磁場相為一無能隙的U(1) 量子自旋液體相，具有自旋子費(fèi)米面和演生U(1)規(guī)范場，同樣展現(xiàn)出巨大低溫熵和顯著致冷效應(yīng)。與傳統(tǒng)絕熱去磁致冷不同，在自旋液體拓?fù)渲吕錂C(jī)制中，攜帶磁熵的不是孤立的自旋，而是自旋子與規(guī)范場激發(fā)等集體激發(fā)。
 

　　圖 1. Kitaev六角晶格磁體的拓?fù)浼ぐl(fā)致冷示意圖。在高溫順磁相中，  ，其中  為居里常數(shù)；在中間溫度分?jǐn)?shù)液體相中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)  ，其中  為修正居里常數(shù)。拓?fù)浼ぐl(fā)攜帶體系一半的磁熵，其激增將帶來顯著的致冷效應(yīng)。
 

　　在實(shí)際Kitaev候選材料中，除了Kitaev相互作用，還存在海森堡耦合等非Kitaev項(xiàng)。因此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步針對擴(kuò)展Kitaev模型開展了多體計(jì)算，討論實(shí)際材料中拓?fù)浼ぐl(fā)致冷機(jī)制的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，由于自旋分?jǐn)?shù)化和拓?fù)浼ぐl(fā)存在于一定的能量/溫度范圍，該致冷機(jī)制具有魯棒性。Kitaev阻挫磁性材料不僅在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面，而且在無液氦極低溫制冷領(lǐng)域也有重要研究價(jià)值。
 

　　阻挫量子磁性材料中的新奇物態(tài)，通常呈現(xiàn)出高度糾纏與強(qiáng)烈漲落的特性。這帶來了新穎的低溫?zé)嵛镄裕沟迷谶h(yuǎn)低于相互作用能量尺度的低溫條件下，甚至直至零溫，體系并不形成磁有序狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)通過Kitaev自旋液體系統(tǒng)的磁場-溫度性質(zhì)研究，指出豐富的低能集體激發(fā)攜帶著巨大的磁熵(圖2)。有效調(diào)控阻挫量子磁性材料中的集體激發(fā)，可以產(chǎn)生新型磁卡效應(yīng)，為探索低溫固態(tài)制冷開辟了新的途徑。
 

　　圖2. 通過外場調(diào)控量子材料進(jìn)入具有顯著自旋漲落的新奇物態(tài)，能夠引發(fā)包括拓?fù)浼ぐl(fā)等在內(nèi)的大量集體激發(fā)，并從周圍環(huán)境中吸收熱量，從而產(chǎn)生新型磁卡效應(yīng)(magnetocaloric effect)。
 

　　該工作最近發(fā)表于《自然·通訊》[Nature Commun. 15, 7011 (2024)]，中國科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員與中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授是論文的共同通訊作者，中國科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所博士后李涵是論文第一作者，其他合作者包括復(fù)旦大學(xué)戚揚(yáng)教授，中國科學(xué)院理論物理研究所博士生呂恩澤、助理研究員西寧，以及北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院博士生高源。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)青項(xiàng)目、人社部博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)“基于新原理的無液氦極低溫制冷”項(xiàng)目等資助。