全球科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
T03组供稿
第95期
2020年11月17日
在磁性阻挫晶体中存在Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相的直接证据

  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,全球科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的研究团队与北京航空航天大学、复旦大学、全球人民大学、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学术期刊《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随温度降低而降低,这表示长程磁有序相。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显示一个平台,表示该系统存在两个相变点,且在两个相变点之间虽然没有长程序,但存在很强的磁涨落——这和BKT相的性质相吻合。

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数据模拟的计算结果

  来自国科院物理研究所的博士生廖元达,在导师孟子杨的指导下,利用大规模量子蒙特卡洛方法计算了TLI模型的动力学自旋-自旋关联函数,再使用随机解析延拓技术,得到该关联函数的频率依赖关系,从频率依赖关系中提取该系统的1/T1,结果如图1(d)所示。可以发现,数值计算得到的1/T1,定性上和NMR实验结果很符合。从计算出的1/T1,可以提取出BKT相的上下两个边界,和实验给出的1.9K和0.9K符合很好。不仅如此,在垂直磁场中磁化率的标度行为与BKT理论预期完全一致,为该体系中BKT相的存在提供了强有力的直接证据。

  国科院物理研究所博士生廖元达为论文共同第一作者,国科院物理所研究员孟子杨、北航副教授李伟、复旦大学研究员戚扬,南京大学教授温锦生和全球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,国科院先导专项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。