中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和理論所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授和理論物理所李偉研究員所組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用先進(jìn)的有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，經(jīng)大規(guī)模計(jì)算完整地給出了鐵磁與反鐵磁情形下吉塔耶夫(Kitaev)蜂巢晶格模型的溫度 - 磁場(chǎng)相圖，發(fā)現(xiàn)了由拓?fù)浼ぐl(fā)所引發(fā)的巨大磁卡效應(yīng)，并提出一種無(wú)需利用液氦的極低溫制冷新機(jī)理，為吉塔耶夫磁體可能的應(yīng)用指明了新方向。這項(xiàng)工作于近期發(fā)表在《自然?通訊》[Nature Commun. 15, 7011 (2024)] 上。
 

　　在部分順磁鹽中，人們發(fā)現(xiàn)其自由磁性離子會(huì)引發(fā)顯著的磁卡效應(yīng)，可利用順磁鹽水合物通過(guò)絕熱去磁來(lái)達(dá)成亞開(kāi)溫區(qū)的低溫制冷，當(dāng)前傳統(tǒng)的絕熱去磁制冷大多采用這一技術(shù)路線。盡管利用順磁鹽制冷的效率較高，然而順磁鹽存在磁性離子密度較低、含水結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的化學(xué)穩(wěn)定性較差、熱導(dǎo)率較低以及具有腐蝕性等固有缺陷，這在很大程度上限制了順磁鹽作為制冷工質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。
 

　　阻挫量子磁體通常具備較高的磁性離子密度、強(qiáng)烈的自旋漲落以及磁激發(fā)帶來(lái)的增強(qiáng)熱導(dǎo)等，并且材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可作為新型的磁制冷工質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)極低溫的固態(tài)制冷。吉塔耶夫量子自旋液體由于阻挫效應(yīng)與量子漲落的共同作用，即便在遠(yuǎn)低于相互作用能標(biāo)的低溫甚至零溫時(shí)也不會(huì)形成磁有序，其低能拓?fù)浼ぐl(fā)會(huì)攜帶巨大的低溫熵，通過(guò)外場(chǎng)的有效調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的磁卡效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼ぐl(fā)極低溫制冷，這為探索新型固態(tài)制冷機(jī)制可開(kāi)辟一條新途徑。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用自行開(kāi)發(fā)的精確高效有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，經(jīng)大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)地給出了鐵磁及反鐵磁吉塔耶夫蜂巢晶格阻挫模型的溫度 - 磁場(chǎng)相圖。研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁系統(tǒng)在中間溫度區(qū)間的分?jǐn)?shù)液體相存在顯著的磁卡效應(yīng)，該效應(yīng)源于自旋分?jǐn)?shù)化所產(chǎn)生的近乎自由的 Z2 規(guī)范磁通，可用一個(gè)順磁物態(tài)方程來(lái)描述。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在反鐵磁情形下，中間磁場(chǎng)相為無(wú)能隙的 U (1) 量子自旋液體相，其具有自旋子(spinon)費(fèi)米面，展現(xiàn)出巨大的低溫熵以及更為顯著的磁卡效應(yīng)，通過(guò)絕熱去磁能夠?qū)崿F(xiàn)極低溫固態(tài)制冷。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)中的制冷機(jī)制不同于傳統(tǒng)磁熱效應(yīng)中單個(gè)磁矩隨外場(chǎng)變化而帶來(lái)的磁熵變，這是一種由系統(tǒng)中的拓?fù)浼ぐl(fā)及演生規(guī)范場(chǎng)等集體激發(fā)所引發(fā)的新型磁卡效應(yīng)，被命名為拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)吉塔耶夫磁體的候選材料，如 Co 基蜂巢晶格磁體 Na2Co2TeO6 中如何實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)進(jìn)行了研究。通過(guò)探討材料中可能存在的海森堡等非吉塔耶夫相互作用對(duì)磁卡效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的自旋分?jǐn)?shù)化現(xiàn)象和拓?fù)浼ぐl(fā)穩(wěn)定地存在于一定的能量 / 溫度范圍，由拓?fù)浼ぐl(fā)所引起的磁卡效應(yīng)具有魯棒性。該項(xiàng)研究表明，吉塔耶夫量子磁體不僅在實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算方面具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在無(wú)液氦極低溫固態(tài)制冷領(lǐng)域同樣有著潛在的廣闊應(yīng)用前景。
 

　　在傳統(tǒng)高溫順磁相中，磁矩M="CB/T，其中C為居里常數(shù)，B為磁場(chǎng)，T為溫度。在中間溫區(qū)的分?jǐn)?shù)液體相中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其磁矩也呈現(xiàn)出M=C KB/T行為，其中C K為修正居里常數(shù)，發(fā)現(xiàn)拓?fù)浼ぐl(fā)攜帶的磁熵高達(dá)體系總熵值的一半，導(dǎo)致顯著的拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)。
 

　　這項(xiàng)工作是國(guó)科大蘇剛教授課題組與理論物理研究所李偉研究員課題組密切合作的成果，在李涵(國(guó)科大卡弗里所博士后，第一作者)，呂恩澤(理論所博士生)，西寧(理論所博士后)，高源(北航博士生)，戚揚(yáng)教授(復(fù)旦大學(xué))的共同努力下完成，李偉(理論所)和蘇剛(國(guó)科大)是論文的共同通訊作者。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中央高校基本科研項(xiàng)目等的支持。