陈钢课题组提出声子增强与探测隐藏序的新方法

在量子磁体中，自旋向列相（spin nematic phase）是一种奇特的物质态：自旋四极矩形成长程有序，却没有任何传统磁偶极矩的磁性序。这一特性使其对常规探测手段几乎完全“隐形”——中子散射主要耦合磁偶极矩，对这类时间反演偶极矩为零的序几乎视而不见。如何直接、可靠地探测这类隐藏序，是凝聚态物理领域长期面临的挑战。

北京大学量子材料科学中心唐俊宇博士、宋洪浩博士与陈钢教授团队的最新研究，为这一难题提供了全新的解决思路。他们发现：声子不仅是自旋向列序的敏感探针，其本身还能通过自旋-晶格耦合显著增强并稳定这一隐藏相。该工作以自旋为1的三角晶格Mott绝缘体为具体示例，建立了一套完整的理论框架，为诊断量子磁体中多极序（multipolar order）开辟了一条全新的路径。

声子：从“旁观者”到“参与者”

传统上，声子被视为晶格振动的量子，与磁性序的探测并无直接关联。但该研究反其道而行之：通过自旋-晶格耦合，自旋向列序的形成会在声子谱上留下独特的指纹。具体而言，自旋向列相的出现会在声子谱中产生两种主要特征——显著的声子频率劈裂（即声子与磁子能带之间的避免交叉），以及该劈裂位置对外磁场和背景自旋向列序的强烈依赖。这些特征通过拉曼散射或非弹性X射线散射即可直接观测，为实验物理学家提供了一套无需依赖中子散射的全新探测工具。

声子耦合的“增强效应”

该工作的另一重要发现是：自旋-晶格耦合不仅是探测手段，更是稳定机制。通过积分掉声子自由度，一个双二次（biquadratic）自旋相互作用项会涌现出来。这种双线性-双二次（bilinear-biquadratic）的自旋相图显示：声子耦合能够显著扩大自旋向列相及自旋向列-超固相在相空间中的区域，使得这些原本难以稳定存在的隐藏相在更宽的参数范围内得以出现。换言之，声子并非被动地“报告”自旋向列序的存在，而是积极地参与并“促成”了它的形成。

格点平均四极矩Q绝对值相图，只有在自旋向列相以及自旋向列相-超固态相中为非零。横坐标：磁场，纵坐标：自旋-晶格耦合强度 。SNS：自旋向列相-超固态相，UUD：自旋up-up-down 相，SN：自旋向列相，FP：完全极化相

隐藏序探测的范式突破

该工作的核心意义在于，它从根本上改变了探测隐藏序的范式。传统的探测方法（如中子散射、核磁共振）要么对四极矩不敏感，要么依赖复杂的多磁子通道间接推测。而本研究提出的声子谱探测路径，直接、清晰、实验可行：只需测量声子频率谱随磁场或者温度的变化，即可反推隐藏自旋向列序的有无与强弱。具体地，在磁场适中的自旋向列相中，声子谱劈裂的带隙大小随着磁场变化呈现出非单调的趋势，并在K点趋于零。这是由于对称性，自旋晶格耦合在K点处消失而声子谱劈裂的位置会随着磁场的调控而改变位置所导致的。

自旋向列相中，声子能带和磁子能带的劈裂大小随着磁场的变化图

另一方向，在小磁场下的自旋向列相-超固相中，由于自旋晶格元胞的扩大，声子和磁子之间的Umklapp 散射会导致声子谱出现多处劈裂。这些不同相的声子谱的显著特征，能够帮助人们探测不同实验条件下可能的自旋隐藏序。这套理论框架，原则上不仅适用于三角晶格体系，更具有普适性——任何存在自旋-晶格耦合的量子磁体中，隐藏多极序都可能在声子谱上留下可观测的痕迹。

自旋向列相-超固态相中，声子能带和磁子能带由于自旋晶格耦合（）所导致的能带劈裂图。其中，最后一列的结果对声子能带做了unfolding处理。 

总结与展望

该工作首次将声子从“背景噪声”提升为“核心探针兼稳定剂”，为量子磁体中隐藏序的探测提供了简洁而强大的理论方案。随着拉曼散射和非弹性X射线散射技术的不断发展，这一理论预言有望在自旋为1的三角晶格Mott绝缘体（如Na₂BaNi(PO₄)₂，NiGa₂S₄等材料）中得到直接实验验证。更广泛地，该研究为诊断各类多极序（包括四极矩、八极矩等高阶多极序）开辟了新的理论路径，将有力推动量子磁体中隐藏序的实验发现与研究。相关成果以“Phononic enhancement and detection of hidden spin-nematicity and dynamics in quantum magnets”为题，于2026年7月7日在线发表。

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/k46x-yqqn