近日，我院微纳物理与应用研究室理论团队（以下简称研究团队）在Kitaev量子磁体的多体理论研究中取得进展。通过采用课题组发展的指数张量重正化群方法，研究团队考虑了Kitaev磁性材料中广泛存在的相互作用项，并对这样的扩展Kitaev模型进行了大尺寸量子多体热力学模拟，在中间温区发现了奇特的分数液体态（或称近邻自旋液体态），并发现其具有马约纳拉激发和新奇的普适热力学规律。具体地说，在分数液体中，磁化率呈现出不同于高温居里-外斯定律的演生（emergent）居里-外斯行为；比热呈现出对应于马约纳拉金属的线性行为；自旋结构因子呈现条纹状背景，反映了系统中独特的自旋关联模式。这些特征共同刻画了新颖的Kitaev分数液体态和Kitaev顺磁规律。相关工作于2020年10月2日以“Universal thermodynamics in the Kitaev fractional liquid”为题在线发表于Physical Review系列新期刊《Physical Review Research》，北航9999js金沙老品牌博士生李涵为第一作者，龚寿书教授、李伟副教授为通讯作者，北航9999js金沙老品牌为第一作者和通讯作者单位。合作者还包括北航9999js金沙老品牌硕士研究生屈代维，本科生张皓凯（现在清华大学高研院攻读博士学位），复旦大学戚扬教授（通讯作者）等。
示意图 中间温区分数液体中磁化率的普适居里-外斯行为以及条纹状的自旋结构因子背景（插图为实空间成对翻转的自旋及Z2规范通量的强烈涨落）。
量子自旋液体作为一类新奇的量子物态，不断吸引着人们探寻其中的凝聚态物理新范式。2006年，A. Kitaev提出了一个定义在蜂巢（honeycomb）晶格上、可严格求解得到自旋液体态的量子格点模型，即Kitaev蜂巢模型。近年来，人们发现一类具有强自旋-轨道耦合的有效自旋-1/2莫特绝缘体材料，如Na2IrO3，alpha-RuCl3等，令人欣喜地实现了Kitaev蜂巢模型，并可能实现追寻已久的量子自旋液体。然而，在这些实际材料中不可避免地还存在着其他类型的复杂相互作用，如海森堡、伽马相互作用项等，这使得这些Kitaev材料在低温下进入有序相，从而偏离了量子自旋液体的理论预期。因此，探讨这些实际相互作用以及磁场项等对Kitaev模型的影响，以及扩展Kitaev模型中是否会有分数化激发并实现自旋液体等，是亟待研究的前沿问题。
然而，包含多种相互作用的扩展Kitaev模型具有自旋阻挫，这使得蒙特卡洛模拟等遇到“负符号”问题，开展精确理论计算十分困难。2018年，研究团队提出了指数张量重正化群（XTRG）方法，其正是研究此类问题的有力工具。应用XTRG方法，研究团队开展大规模计算，得到了含磁场、海森堡及伽马相互作用等的扩展Kitaev模型低温热力学性质，从而揭示出在中间温区存在稳定的分数液体相。在该分数液体相中，存在一系列新奇的普适热力学行为。磁化率会在高温居里-外斯行为之外，涌现出第二段“居里-外斯”行为，并对应不同的内秉磁矩。通过理论推导分析，研究团队发现这是由于在分数液体中，虽然关联已经建立，自旋不能单独自由翻转，但演生的Z2规范通量仍然会强烈涨落，使得自旋可以成对地自由翻转，带来一个“新的”居里-外斯律。研究团队进而分析了实验材料Na2IrO3和 alpha-RuCl3的已有磁化率实验数据，发现其在中间温区的确存在这样的第二段涌现居里-外斯行为。
此外，分数液体的独特自旋关联特征，还会导致结构因子出现条纹状的背景。研究团队精确计算了包含若干重要相互作用的扩展Kitaev模型的热力学性质和有限温度相图，相关结果为扩展Kitaev模型的理论研究提供了有价值的新颖结论，并预言后续可利用自旋分辨的中子散射等实验手段在Kitaev材料中探测Kitaev分数液体。
相关研究工作获得国家自然科学基金面上项目和重点项目、北航卓越百人计划和北航青年拔尖人才支持计划等的大力支持。
论文在线链接为：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.043015
