本網(wǎng)訊 量子磁性是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的一個(gè)前沿方向，主要研究量子力學(xué)效應(yīng)在磁性材料中的表現(xiàn)。量子磁性材料通常具有特殊的電子結(jié)構(gòu)和自旋態(tài)，展現(xiàn)出許多新奇的衍生現(xiàn)象，如量子自旋液體、自旋超固態(tài)等。其獨(dú)特的物理性質(zhì)在量子計(jì)算、信息存儲(chǔ)、極低溫制冷等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。近期，材料科學(xué)與工程學(xué)院馬禎團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得了系列研究進(jìn)展。

進(jìn)展一：由于離子半徑相似，真實(shí)材料中往往存在離子無(wú)序占位而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)無(wú)序問(wèn)題，被認(rèn)為是研究量子磁性系統(tǒng)本征物理的一大障礙。為此，馬禎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了兩種新型的三角晶格稀土材料Rb₃Yb(VO₄)₂和Cs₃Yb(VO₄)₂。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行極低溫的比熱和非彈性中子散射研究，發(fā)現(xiàn)自旋在低溫下仍然沒(méi)有建立長(zhǎng)程磁性，而是保持量子順磁行為。同時(shí)，在溫度低至100 mK以下，系統(tǒng)中仍然存在大量的低溫磁熵，且會(huì)受到磁場(chǎng)的連續(xù)調(diào)制，具有較大的磁卡效應(yīng)。該工作為探索通過(guò)絕熱去磁制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)mK量級(jí)的極低溫制冷環(huán)境提供一個(gè)潛在平臺(tái)。研究成果以“Magnetically disordered ground state in the triangular-lattice antiferromagnets Rb₃Yb(VO₄)₂ and Cs₃Yb(VO₄)₂”為題，發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊Physical Review B [PRB 111, 155141 (2025)]。材料學(xué)院馬禎博士為論文第一兼通訊作者，南京大學(xué)溫錦生教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.155141

進(jìn)展二：量子自旋液體代表了一種非平庸的量子磁性態(tài)，然而真實(shí)的材料體系卻十分稀少，且大多集中在幾何阻挫海森堡磁體中。為此，馬禎團(tuán)隊(duì)制備了一種新的伊辛磁體PrMgAl₁₁O₁₉的高質(zhì)量單晶。磁化率和比熱表征均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)程磁相變，零場(chǎng)下的極低溫磁比熱與溫度的平方項(xiàng)具有依賴關(guān)系，說(shuō)明磁無(wú)序基態(tài)可能是無(wú)能隙的狄拉克型量子自旋液體。非彈性中子散射測(cè)量驗(yàn)證了低溫下磁無(wú)序的特征，且布里淵區(qū)中彌散的磁激發(fā)信號(hào)也和自旋液體態(tài)的特征相吻合。該工作證明了經(jīng)典的伊辛系統(tǒng)也能展示量子自旋液體行為，為深入理解量子磁性物理提供了一個(gè)罕見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)案例。研究成果以“Possible gapless quantum spin liquid behavior in the triangular-lattice Ising antiferromagnet PrMgAl₁₁O₁₉”，發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊Physical Review B [PRB 109, 165143 (2024)]。材料學(xué)院馬禎博士為論文第一兼通訊作者，南京理工大學(xué)董召陽(yáng)副教授和南京大學(xué)溫錦生教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.165143

進(jìn)展三：在進(jìn)展二的基礎(chǔ)上，馬禎團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)PrMgAl₁₁O₁₉進(jìn)行了極低溫?zé)釋?dǎo)率的研究。結(jié)果顯示，系統(tǒng)中除了聲子熱導(dǎo)之外，零場(chǎng)下表征量子自旋液體態(tài)的分?jǐn)?shù)化磁激發(fā)對(duì)熱導(dǎo)幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，排除了系統(tǒng)中出現(xiàn)具有巡游性的準(zhǔn)粒子激發(fā)的可能，這似乎和上述比熱以及中子散射的結(jié)果相矛盾。然而，通過(guò)對(duì)不同磁場(chǎng)下熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析得知，聲子熱導(dǎo)會(huì)受到有能隙（~0.15 K）的集體磁激發(fā)模的強(qiáng)烈散射，且能隙值與外加磁場(chǎng)大小具有線性依賴關(guān)系。以上結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)有能隙的Z2型量子自旋液體。研究成果以“Gapped quantum spin liquid in a triangular-lattice Ising-type antiferromagnet PrMgAl₁₁O₁₉”，發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊Physical Review Research [PRR 6, 043147 (2024)]。我校材料學(xué)院馬禎博士和復(fù)旦大學(xué)李世燕教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.043147

作者簡(jiǎn)介：馬禎，副教授，碩士生導(dǎo)師，湖北省“楚天學(xué)者計(jì)劃”楚天學(xué)子，“磁湖人才計(jì)劃”青年才俊。2020年博士畢業(yè)于南京大學(xué)。主要從事量子材料的晶體生長(zhǎng)、物性表征和中子散射研究工作。目前，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，湖北省自然科學(xué)基金青年/面上項(xiàng)目各1項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題3項(xiàng)。共發(fā)表SCI論文30余篇，其中第一或通訊作者論文12篇，包括1篇Physical Review Letters和1篇Nature Communications, 8篇Physical Review B/Research/Materials。擔(dān)任PRL、PRB、npj Quantum Materials等期刊獨(dú)立審稿人。