陈钢课题组提出偶极笼目系统Z2拓扑序新机制

2025-08-16

北京大学物理学院量子材料科学中心陈钢教授课题组与21级博士生赵鹏威在拓扑序量子材料和量子模拟方面取得重要进展。研究团队提出了一种由偶极相互作用诱导Z₂拓扑序的新机制，适用于笼目晶格体系。这一机制为稀土磁体、超冷极性分子以及团簇莫特绝缘体中的拓扑量子态研究开辟了新的方向。相关成果以 “Z₂ topological orders in kagome dipolar systems: Feedback from Rydberg quantum simulator” 为题，于2025年9月14日在线发表于 Scipost Physics。

拓扑序作为一种具有长程纠缠和分数量子激发的奇异量子态，一直处于基础量子物理研究的前沿。近年来，量子模拟技术的发展为探索拓扑序提供了全新范式。里德堡原子阵列在笼目晶格上成功模拟了Z₂拓扑序 [1,2]，其核心机制——长程相互作用与量子阻挫的协同效应——启发了研究团队重新审视实际材料体系中的类似物理。本研究聚焦于笼目晶格中广泛存在的偶极相互作用。在稀土笼目磁体中，稀土离子携带的强磁偶极矩之间产生的长程、各向异性相互作用不仅增强了体系的阻挫程度，还为调控体系提供了丰富手段。类似的偶极作用同样可在超冷极性分子和团簇莫特绝缘体等平台中实现。

研究团队构建了Z₂格点规范场论，指出在横向磁场或可引发自旋翻转的超交换作用下，偶极笼目系统可以映射为类Balents-Fisher-Girvin模型 [3]（见图1）。该模型的基态是典型的Z₂拓扑序，具有自旋子（spinon）与涡旋子（vison）两类分数化激发。通过规范平均场理论分析，研究团队识别出4种可能的Z₂拓扑序态，分别对应于不同的Z₂奇偶性配置。

图 1 笼目偶极系统中根据最近邻和次近邻相互作用强度可以实现两种BFG模型

此外，研究团队系统地探讨了偶极笼目体系中Z₂拓扑序的探测与调控方式。从热力学性质看，由于体系中存在多个能标，热熵在温度下降过程中呈现阶梯状平台结构；在低温区，自旋子与涡旋子的激发存在能隙，导致熵和热容呈现指数衰减行为。从谱学角度看，非弹性中子散射（适用于稀土磁体）与双光子拉曼光谱（适用于超冷极性分子）能够捕捉两个自旋子或两个涡旋子激发形成的连续谱特征。在调控方面，研究指出通过改变局域磁矩的倾角，可有效调节偶极作用各向异性的比例，使系统更接近于BFG模型，有助于Z₂自旋液体相的稳定。

本工作第一作者为北京大学物理学院量子材料科学中心21级博士生赵鹏威，通讯作者为陈钢教授。该工作得到科技部重点项目和中央大学基础研究经费支持。