量子自旋液體是一個新奇的量子磁態：盡管相鄰自旋之間強烈相互作用，但是自旋系統即使降溫至絕對零度，釋放出了全部熵，到達了基態，也不會發生任何的相變。近些年各種優秀的理論和計算工作層出不窮：不同的課題組對量子自旋液體可能有不同的看法。究竟如何從實驗上斷定一個自旋系統的基態是否為量子自旋液體？盡管這個問題還一直沒有解決，但是它的研究對于整個凝聚態物理意義重大，其研究進展也被廣泛地關注。盡管其理論和實驗研究均取得明顯進展，然而以前報道過的優秀自旋液體備選材料都或多或少存在各種“不夠理想的因素”，這些或者直接制約了對材料的進一步研究，或者導致研究陷入嚴重的分歧。

　　中國人民大學物理系李岳生和張清明課題組，與復旦大學物理系教授陳崗理論合作，與中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心及復旦大學進行ESR，He3-SQUID，低溫XRD，稀釋制冷機低溫比熱的實驗合作，首次成功推出一個全新的研究量子自旋液體的理想材料YbMgGaO4：該材料具有R-3m高對稱空間群，具有完美的三角格子；其內部的磁性雜質的含量不超過0.04%，完全可以忽略；非對稱各向異性的DM相互作用從晶體對稱性上是完全禁戒的；相對于層內近鄰相互作用，層間相互作用可以忽略；通過光學浮區爐技術，很容易生長出高質量的大單晶；非磁性的對照材料LuMgGaO4一樣也容易獲得：可以利用其得到精確的YbMgGaO4磁比熱（核磁矩的貢獻也可以一并扣除：核磁矩比熱主要來源于Ga核）；Kramers稀土離子Yb3+在低溫下帶1/2有效自旋，并且具有強烈的自旋-軌道耦合；單位原胞包含奇數個電子；材料絕緣程度極高。這些自然的優點注定該自旋系統的基態“不可能太平庸”，同時科研人員預見其將激起大量的相關實驗研究。

　　科研人員通過各種極低溫測量手段來探索YbMgGaO4的基態性質。實驗結果材料具有~4K的反鐵磁交換相互作用，但是一直降到60mK也沒有從熱力學測量上觀測到任何相變，甚至到60mK自旋系統的熵已經接近于零（<0.6%），表明系統的基態應該至少是完全無序的。低溫磁化率和比熱隨溫度變化規律表明該系統的低能激發是零能隙的（<J/100）。極低溫比熱隨溫度呈冪指數函數變化，冪指數接近2/3，與理論預言的U（1）費米量子自旋液體一致。通過單晶磁化率，ESR實驗進一步定量分析出有效1/2自旋系統的Hamiltonian。結合現有的數值計算研究結果，科研人員推斷出觀測到的無序基態極可能與近鄰的各向異性的自旋相互作用（J±±和JZ±）有關。相關研究成果分別發表在Sci. Rep. 5, 16419 （2015）和Phys. Rev. Lett. 115, 167203 （2015）上。

責任編輯：李玲珊

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