【儀表網 研發快訊】最近，北京大學物理學院量子材料科學中心的實驗研究團隊針對高質量的Na2Co2TeO6單晶樣品，確認其在低溫下的磁基態為帶有周期性自旋渦旋結構的三波矢態，并觀測到與之相關的磁光演生現象。研究成果以《Na2Co2TeO6中具有魯棒性及可訓練的自旋渦度的三波矢態》(“Robust triple-q order with trainable spin vorticity in Na2Co2TeO6”)為題，在線發表于《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 135, 136701)。
 

　　Kitaev量子自旋液體態及其候選材料，由于Kitaev模型的嚴格可解性及其在拓撲量子計算中的潛在應用前景，近年來吸引了廣泛的研究興趣。然而，幾乎所有可望實現該模型的候選材料均在低溫下形成某種磁有序結構，從而偏離了預期中的量子自旋液體態。為了判斷材料偏離Kitaev模型的具體方式(從而有望借助合適的外場調控重新“找回”量子自旋液體態)，磁基態的判定變得十分重要。Na2Co2TeO6作為3d電子體系的候選材料之一，其磁基態仍具爭議，主要的爭議點在于三波矢態與鋸齒邊態的區分，這實際上反映了單波矢態與多波矢態磁有序態區分的困難。盡管已有許多努力，但領域內對Na2Co2TeO6磁基態是否為三波矢態尚未達成共識。
 

　　在本項研究中，研究人員首先發現退火后的Na2Co2TeO6樣品可去除晶體生長過程中留下的殘應力，恢復晶體本該具有的旋轉對稱性。運用退火后的高質量Na2Co2TeO6單晶樣品，研究團隊先是通過單軸壓調控下的中子衍射實驗發現磁有序態對輕微的旋轉對稱性破缺具有很高的魯棒性，從而符合三波矢態的預期，但因難以用容易形成多個取向疇的鋸齒邊態理解，隨后研究團隊又運用法拉第旋光實驗發現三波矢態的演生現象——與材料中微弱的亞鐵磁矩存在耦合的自旋渦度。這一研究提供了磁基態為三波矢態的直接實驗證據，建立了一種新的區分多波矢態和單波矢態的實驗方法。物理上，三波矢態的魯棒性暗示即使在相對局域的3d電子體系中仍然存在不可忽略的高階磁性相互作用，這也對其他4d、5d電子的候選體系帶來啟發。
 

　　圖1. Na2Co2TeO6單晶單軸壓結合中子衍射實驗散射幾何(a)及實驗結果(b—d)。結構衍射峰中心移動(b—c)表明單軸壓力成功施加，磁衍射峰在單軸壓下未發生強度變化(d)。磁衍射峰對單軸壓力的魯棒性證明了磁基態為三波矢態，而并非具有不同取向疇的鋸齒邊(單波矢)態
 

　　圖2. 法拉第旋光實驗測到超越亞鐵磁磁矩貢獻的旋光效應，這可以被視作為三波矢態的一個重要的演生現象——自旋渦度所導致的法拉第旋光效應(類似于導電材料中的拓撲霍爾效應)
 

　　北京大學物理學院量子材料科學中心博士生金香紅為論文的第一作者，李源和劉陽為共同通訊作者。中子衍射實驗在英國ISIS中子源Fabio Orlandi、Dmitry Khalyavin和Pascal Manuel的通力合作下完成，法拉第旋光實驗由金香紅與耿夢喬合作完成。