三角晶格磁体中量子无序基态的观察

具有三角晶格的磁性材料一直是许多研究的焦点，因为理论预测表明它们可以表现出自旋液态。这些是物质的量子相，呈现出有趣的特征，例如量子纠缠和分数激发。

虽然已经有许多实验努力旨在观察三角晶格材料中这些迷人的相，但到目前为止，这已被证明是非常具有挑战性的。造成这种情况的一个关键原因是这些材料中的弱自旋轨道耦合和其他扰动通常会导致传统的自旋冻结或磁性状态。

加州大学波士顿学院、橡树岭国家实验室和美国国家标准与技术研究所的研究人员最近能够在三角晶格磁铁NaRuO中产生量子无序基态。2.他们的研究结果发表在《自然物理学》上，表明这种状态是由自旋轨道耦合和磁性材料中的相关效应之间的合作相互作用实现的。

“我们长期以来一直在研究三角晶格，寻找承载我们所谓的量子无序基态的材料，”进行这项研究的研究人员之一斯蒂芬·D·威尔逊(Stephen D. Wilson)告诉 Phys.org。“在这些状态下，每个原子上的磁矩，每个原子都位于边缘共享三角形网络中，即使在绝对零度下也无法排序或冻结到位。这种有序的失败名义上是由于量子涨落不断扰乱力矩，并用于定义一种新的，固有的无序和动态磁基态。

在材料中实现量子基态的一种方法涉及确定有效的策略，将单个电子的轨道自由度与其自旋自由度纠缠在一起。这最终可以通过仔细地将不同的元素组合在一起来实现，例如包括化合物中的钌(Ru)，这也包含在团队的NaRuO中。2样本。

“一个主要的挑战是制作我们感兴趣的材料，NaRuO2，干净利落，“威尔逊解释道。“要真正测试量子磁性领域正在发生的事情，你真的需要尽可能多地去除化学杂质等外在因素。一旦我们制作了NaruO2如果有足够的质量，我们可以进行几个实验，所有这些实验都揭示了更多关于正在发生的事情的物理学。换句话说，你需要几个不同的窗口来形成复杂材料的全貌。

在他们意识到自己的干净纳鲁奥之后2因此，威尔逊和他的同事们进行了一系列测试和实验，以更好地了解其潜在的物理学。他们首先使用基本的体积表征方法对其进行了检查，例如测量其磁化率和热容，直至非常低的温度。

“我们还进行了更先进的实验，如非弹性中子散射和μ介子自旋弛豫测量，”威尔逊说。“所有这些探针都告诉我们一些关于NaRuO中的磁矩的信息。2当你冷却到它的基态时，每个在不同的长度和时间尺度上。当总体图片显示磁矩无法排序，而是在你冷却到远低于应有的温度时波动时，你就可以开始描绘量子无序基态的图片。

威尔逊和他的同事进行的实验表明，他们精心设计的NaRuO2样品表现出固有的波动磁性基态。在低温下，材料中的自旋激发在其热容中产生了类似金属的项，并在其中子散射中产生了一系列连续的激发，这与先前在具有三角晶格的磁铁中观察到的自旋液态相关的激发。

“我们的工作表明，由自旋轨道纠缠过渡金属离子(例如Ru)构建的三角晶格可能非常有趣，最重要的是，破坏传统磁序稳定性所需的各向异性相互作用可以在实际材料中实现，”威尔逊说。“我们表明，即使在磁交换耦合强度名义上非常强的材料中，这也可能发生，NaRuO就是这种情况。2."

最近的理论研究将NaRuO2是一个严格的铁磁状态，这意味着材料中的主要相互作用应该驱动所有矩彼此平行。虽然铁磁性相当容易检测，但威尔逊和他的同事收集的发现表明它不存在，而是在这个化合物内部发生了其他事情。

在未来，新的研究可以帮助更好地理解这个迷人的三角形格子磁铁的物理学，可能有助于解决这个谜团。此外，这组研究人员最近的工作可能会激发新的研究，旨在观察其他具有三角晶格的磁铁中的量子自旋液态。

“我们的下一步将是尝试制造这种材料的单晶，”威尔逊补充道。“一旦我们可以探索其固有的各向异性，我们就可以获得更多关于驱动这种不寻常材料的物理学的信息，一旦可以实现单晶，其他实验就成为可能。下一个大问题是哪种类型的量子无序磁态NaRuO2理想情况下，人们希望超越简单地定义状态不是什么，而是开始绘制更精确的实验图，说明磁基态是什么。

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