中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
T03組供稿
第95期
2020年11月17日
在磁性阻挫晶體中存在Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相的直接證據

  BKT相變是一種超越了朗道范式的相變,半個多世紀以來,物理學家們一直在試圖尋找一種能發生BKT相變的磁性材料。最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的研究團隊與北京航空航天大學、復旦大學、中國人民大學、南京大學和香港大學的合作者,利用高靈敏度的低能實驗探測手段--核磁共振(NMR)技術,結合先進的數值計算方法張量重正化群與量子蒙特卡洛方法,找到了阻挫磁性材料TmMgGaO4 (TMGO)中存在BKT相的直接證據。相關工作以“Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet”為題在線發表于綜合學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。

  TMG0是一種磁性阻挫晶體,可以用一個二維三角格子的量子伊辛模型(TLI)來很好地描述。該合作團隊的部分成員孟子楊、李偉、戚揚等在2020年2月完成的工作[Nature Communications 11, 1111 (2020)]中,給出了TMGO合適的微觀參數,并預言該材料中存在BKT相。該合作團隊的實驗研究者,生長出了高質量的TMGO單晶樣品,采用在晶體的ab面內施加3T強磁場的方法,成功利用NMR探測到了BKT相的信號。如圖1(c)所示,在0.9 K以下,自旋-晶格弛豫率1/T1隨溫度降低而降低,這表示長程磁有序相。到1.9K左右,1/T1先隨溫度增大而快速下降,隨后又開始快速增加,這表明低能強自旋漲落的出現。特殊的是,在0.9K到1.9 K溫度區間內,1/T1顯示一個平臺,表示該系統存在兩個相變點,且在兩個相變點之間雖然沒有長程序,但存在很強的磁漲落——這和BKT相的性質相吻合。

圖1:(a) TmMgGaO4單晶在3 T的面內磁場下,69Ga元素在不同溫度下的NMR譜; (b) NMR超精細移動69Kn隨溫度的變化關系;(c) NMR自旋-晶格弛豫率1/69T1隨溫度的變化關系;(d) 量子蒙特卡洛對1/69T1數據模擬的計算結果

  來自中科院物理研究所的博士生廖元達,在導師孟子楊的指導下,利用大規模量子蒙特卡洛方法計算了TLI模型的動力學自旋-自旋關聯函數,再使用隨機解析延拓技術,得到該關聯函數的頻率依賴關系,從頻率依賴關系中提取該系統的1/T1,結果如圖1(d)所示。可以發現,數值計算得到的1/T1,定性上和NMR實驗結果很符合。從計算出的1/T1,可以提取出BKT相的上下兩個邊界,和實驗給出的1.9K和0.9K符合很好。不僅如此,在垂直磁場中磁化率的標度行為與BKT理論預期完全一致,為該體系中BKT相的存在提供了強有力的直接證據。

  中科院物理研究所博士生廖元達為論文共同第一作者,中科院物理所研究員孟子楊、北航副教授李偉、復旦大學研究員戚揚,南京大學教授溫錦生和中國人民大學教授于偉強為共同通訊作者。本工作獲得科技部重點研發計劃2016YFA0300502,中科院先導專項XDB28000000,國家自然科學基金委項目11574359,以及香港特別行政區研究資助局Grant 17303019的支持。研究工作的大規模量子蒙特卡洛計算,在國家超算天津中心天河1號平臺,國家超算廣州中心天河2號平臺上進行。