《物理评论快报》发表李源课题组与合作者对钴基六角蜂窝晶格磁性材料的中子散射研究

        最近，北京大学物理学院量子材料科学中心李源课题组与合作者运用非弹性中子散射实验和高质量的单晶样品，在国际上首次完整测定了一种量子自旋液体候选材料的自旋激发谱。相关研究成果以“蜂窝磁性材料Na2Co2TeO6磁有序态和顺磁态中的磁激发”(Excitations in the ordered and paramagnetic states of honeycomb magnet Na2Co2TeO6)为题，在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

        “磁阻挫”是指晶体材料中的磁性相互作用彼此矛盾，不利于经典磁有序的形成。由此而获得增强的量子效应，使磁阻挫体系被认为有希望实现“量子自旋液体”等新奇物态。2006年，Alexei Kitaev提出了一种理论上可严格求解的量子自旋液体模型，后来被称为Kitaev蜂窝模型，该模型通过在二维蜂窝晶格的三种不同取向边上分别引入彼此正交的三种Ising相互作用实现磁阻挫。在过去十多年里，对Kitaev量子自旋液体的寻找先后引起了在铱（Ir）、钌（Ru）和钴（Co）等元素的化合物中的研究热潮。实际材料在低温下往往仍会出现磁有序，这表明材料中的磁性相互作用偏离了Kitaev蜂窝模型中的理想情形。如果能准确辨别出这些偏离，将有助于对材料实施有针对性的调控，从而达到抑制磁有序并诱导出量子自旋液体态的最终目的。

        近年来，北京大学物理学院量子材料科学中心李源课题组与合作者开展了一系列针对Na2Co2TeO6这种蜂窝晶格材料的研究。在此前的研究中，他们对材料在低温下的丰富相变现象进行了仔细的表征(PRB 101, 085120 (2020); PRB 103, L180404 (2021))。最近，运用非弹性中子散射实验和高质量的单晶样品，研究团队在国际上首次完整测定了材料的自旋激发谱。其中低能量段的测量结果表明体系中存在“第三近邻”距离上的磁性相互作用，这对原本只涉及最近邻相互作用的Kitaev蜂窝模型是一个重要的补充。同时，实验观察到至少六支互无色散交叠的自旋波，这也给体系的磁有序基态和相互作用模型带来了明确的限制。

图：(a-b)展示了能量最低的一支自旋波，及其第三近邻相互作用(J3)有效模型的拟合结果 。(c)展示了同一动量路径上的实验测量全谱，从中可见至少六支互无交叠的自旋波色散。

        北京大学物理学院量子材料科学中心已毕业博士生姚伟良为论文的第一作者，李源副教授与姚伟良为共同通讯作者。关键的中子散射实验在日本J-PARC中子源两位谱仪科学家的通力合作下完成。

        上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和量子物质协同创新中心的支持。

        原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.147202