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相变是一种超越了朗道范式的相变,半个多世纪以来,物理学家们一直在试图寻找一种能发生BKT相变的磁性材料。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团队与北京航空航天大学、复旦大学、中国人民大学、南京大学和香港大学的合作者,利用高灵敏度的低能实验探测手段--核磁共振(NMR)技术,结合先进的数值计算方法张量重正化群与量子蒙特卡洛方法,找到了阻挫磁性材料TmMgGaO4 (TMGO)中存在BKT相的直接证据。相关工作以“Evidence of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Phase in a Frustrated Magnet”为题在线发表于综合學術期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。

  TMG0是一种磁性阻挫晶体,可以用一个二维三角格子的量子伊辛模型(TLI)来很好地描述。该合作团队的部分成员孟子杨、李伟、戚扬等在2020年2月完成的工作[Nature Communications 11, 1111 (2020)]中,给出了TMGO合适的微观参数,并预言该材料中存在BKT相。该合作团队的实验研究者,生长出了高质量的TMGO单晶样品,采用在晶体的ab面内施加3T强磁场的方法,成功利用NMR探测到了BKT相的信号。如图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先随温度增大而快速下降,随后又开始快速增加,这表明低能强自旋涨落的出现。特殊的是,在0.9K到1.9 K温度区间内,1/T1顯示一個平台,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。

图1:(a) TmMgGaO4单晶在3 T的面内磁场下,69Ga元素在不同温度下的NMR谱; (b) NMR超精细移动69Kn随温度的变化关系;(c) NMR自旋-晶格弛豫率1/69T1随温度的变化关系;(d) 量子蒙特卡洛对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爲與BKT理論預期完全一致,爲該體系中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达为論文共同第一作者,中科院物理所研究員孟子杨、北航副教授李伟、复旦大学研究員戚扬,南京大学教授温锦生和中国人民大学教授于伟强为共同通讯作者。本工作获得科技部重点研发计划2016YFA0300502,中科院先导专项XDB28000000,国家自然科学基金委项目11574359,以及香港特别行政区研究资助局Grant 17303019的支持。研究工作的大规模量子蒙特卡洛计算,在国家超算天津中心天河1号平台,国家超算广州中心天河2号平台上进行。