量子材料科学中心陈钢提出层展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变和Kugel...

　　

北京大学物理学院量子材料科学中心陈钢教授在阻挫量子材料取得重要进展。他提出在双层的三角晶格钴氧化物实现了层展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理以及Kugel-Khomskii物理。9月25日，相关成果以“Emergent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless and Kugel-Khomskii physics in the triangular lattice bilayer colbaltate”（《双层三角晶格钴氧化物的层展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless和Kugel-Khomskii物理》）为题，在线发表于Physical Review Letters（《物理学评论快报》）上。

类似于4d/5d的氧化物，钴基的材料有时候也体现出较强的自旋轨道耦合。基于这个原因，一些honeycomb结构的钴基材料近年来也被提出是Kitaev材料的候选。其实，更早的时候，钴基的准一维体系CoNb₂O₆以及BaCo₂V₂O₈等系统被证实实现了量子伊辛临界（Quantum Ising criticality）以及相应的具有E8对称结构的激发等重要物理，其中系统主导的伊辛相互作用本质上也是起源于自旋轨道耦合诱导的有效自旋作用的各项异性。

虽然从对称性而言，只要有三重转动对称性，Co基的莫特材料就会允许Kitaev相互作用的存在，然而在实际材料中，最近的研究表明，Co基中起主导作用的是XXZ模型。在这个工作关注的Co基的双层三角体系中，实验中出现的磁化平台也直接验证了XXZ模型的主导性。文章作者提出了一个复杂的延展XXZ模型，通过几个有趣的观察，重新定义了希尔伯空间，引入了两套有效自旋。在中低能，这个复杂的XXZ模型惊人地简化为一个单层三角晶格的反铁磁的量子伊辛模型。作者利用已知的严格结果，指出其中的层展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理以及低温通过quantum order-by-disorder诱导的量子单态反铁磁（quantum singlet antiferromagnet）。作者把两套有效自旋同时引入后，系统的完整模型演变为一个由另一组伊辛自旋进行修饰的量子伊辛模型，或者也可以看成是一个层展的Kugel-Khomskii模型。这是一个没有轨道的Kugel-Khomskii模型，完全是层展而来的。作者基于对基态的完全认识，通过完整的模型计算出系统整体的激发谱。

该工作对各向异性磁体以及multiflavor莫特绝缘体的建模以及理解提供了思路，拓展了该领域的研究角度。审稿人评价“这项工作非常妙，因为几个看似无关的物理是通过对希尔伯特空间的巧妙组织而联系起来，以至于为无比复杂的模型提供了洞察力”，并认为“这种方法可以为复杂的几何阻挫磁体提供更多的洞察力”。

陈钢为文章的通讯作者，也是唯一作者。

相关文献：

J. M. Kosterlitz (2017) “Nobel Lecture: Topological defects and phase transitions”, Rev. Mod. Phys. 89, 040501.

K. I. Kugel and D. I. Khomskii (1982). "The Jahn-Teller effect and magnetism: transition metal compounds", Soviet Physics Uspekhi. 25 (4): 231.

Gang Chen and Congjun Wu (2024). “Multiflavor Mott insulators in quantum materials and ultracold atoms”, NPJ Quantum Materials, 9, 1.

Gang Chen (2024). “Emergent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless and Kugel-Khomskii physics in the triangular lattice bilayer colbaltate”, Phys. Rev. Lett. 133, 136703