三千量子态一瓢向列相

2022-08-12 17:42 来源：读者提供作者：网友发布浏览：0

核心提示撰文 | Ising长期以来，Ising 作为一个跨界学人，经常在凝聚态物理和材料科学的多个细小分支溪流中流连，因此被很多人调侃：在物理界，你是一个材料学者；在材料界，你是一个物理人；最近的你，还是诗人中物理不错的、物理人中胡乱写诗的旧学人

写作|伊辛

很长一段时间，伊辛作为一个跨界学者，经常在凝聚态物理和材料科学的许多小支流中徘徊，因此被很多人嘲讽:在物理领域，你是材料学者；在物质世界里，你是一个物理人；最近你还是诗人中擅长物理，物理学家中写诗漫不经心的老秀才。这些妙语连珠，充满褒贬的言论，实际上表达了学科的传统和内涵，是学科最重要的框架，规范了学科的样子和面貌。物理学者，大多对“为什么”充满敬意，愿意为此付出一切。而物质的人则对“效果好坏”增加了敬畏，因为无论什么样的物质有好的表现，无论故事有多好，都是白搭。从这个意义上说，物理人和物质人的胃口和口味都有点吃不消。当然，要谈长远的价值和意义，物理科学应该更好；要克服目前的瓶颈和家国需要，材料学科可以更顺畅地运用。

正因为如此，材料科学研究通常动作很快，与其他学科交叉更多，更有效，而“为什么”的问题就像锦上添花一样，不是必要而是比必要更好。而物理研究则愿意慢慢剥茧，然后抽象地建立基本的图像，形成经典的、基本的学科逻辑路线。在过去的几十年里，物理人渴望用一百个ppt讲述一件事，多方向齐上阵，形成了扎实的知识，为拓展搭建了坚实的跳板。材料人更喜欢十个ppt讲二十件事，实现材料使役表现的全方位覆盖。

这样看来，那些“量子材料人”和为他们端茶倒水的伊辛就可怜了:他们要刨根问底，多方求证和物理，努力为量子技术时代做贡献，打开桥梁。但是，他们是自然科学的尖端！新锐就是要能磨练自己的肌肉，左右角力。慢慢的，量子材料的研究继承了更多面的物理研究风格，同时兼顾了应用的可能性。对于任何一门学科来说，都迫切需要下一级的拆解和上一级的整合，无形中为这门学科规范了一些研究模式和风格。

在这里，以非常规超导为例是最合适的，虽然不可能长篇大论。在过去的几年里，为了追求更好的超导性，包括改善超导转变，无论是对于铜基高温超导，铁基超导，还是其他，量子材料研究人员总是睁开眼睛揭示追求超导的新机制，从而为更好的性能奠定基础。其中的一个核心主题就是理解超导相图的每一个角落。如图1所示，这是一个典型的高温超导相图。一般读者一眼就能有印象，然后顺着葫芦画瓢。然而量子材料人不是。他们想在相图的每个区域找出“为什么会这样”和“如何与邻居相处”的问题。很多时候，这种想明白问题的坚持，并不全是应用所需要的，而是量子材料人的一种品质和爱好。你也可以说是“爱好”。毕竟认识世界是一个物理人的使命。改造世界更多的是物质人的使命。

1.典型的高温超导相图，在赝能隙区存在自旋向列相。丨M.J. Lawler等人，自然466，347，https://www.nature.com/articles/nature09169

超导相图的一个主要特征是超导相区的圆顶总是出现在相邻相区的量子临界点附近。这一特性并不是铁基超导，尤其是铜基高温超导所独有的。因此，在各种超导相图中，与超导圆顶相邻的量子相区以及相关的量子临界点QCP等。，很快成为量子材料人梦寐以求的地方。

如果仔细考察，铜基超导相图最受关注的相区是赝能隙区。好，那就研究这个赝能隙区域。发现这个区域不是纯的，而是几个量子相共存。例如，不同铜基系统的该区域可能局部包含赝带隙超导相、电荷密度波CDW相、向列相或自旋密度波SDW相。这些量子相共存并相互竞争，使得原本预期的赝带隙区纯粹是单一“赝带隙超导相”的梦想无法实现。所以，几年前量子材料人就想尽办法攻关这个伪能隙区，似乎基本搞清楚了每个相到底神圣在哪里。

图二。空空穴掺杂铁基超导体Ba1-xKxFe2As2相图，其中超导相SC圆顶处的向列相区包含了正常态和超导态的涨落。Https://www.nature.com/articles/s41467-017-02016-y

现在，如果我们看图2，我们可以看到铁基相图和铜基相图具有一些可比较的特征:基态的反铁磁正交相，具有高韧性和磁性的四方相，以及这两相之间的所谓的正交向列相。也就是说，原来的铜基超导相区中的赝能隙区被现在的铁基正交相区所取代。大量的工作揭示了自旋向列相和自旋密度波相在该区域共存。也许，在这个地区有更多的其他共存阶段。好吧，现在致力于铁基超导的量子材料人已经不遗余力地弄清楚了这些共存的量子相的每一个的全貌。

好吧，但是怎么做呢？做凝聚态物理的人都知道，当一个区域有多个量子相的时候，要搞清楚每个相应该是非常困难的。一般的理解肯定是不行的。因此，下一个最好的和屡试不爽的方法是找到一个系统，其中只有一个纯量子相，没有其他共存相。这是一个生理男人的追求，他以此为荣，津津乐道。

加州大学戴维斯分校的N. J. Curro教授的研究小组与德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所、美国斯坦福大学应用物理系和法国格勒诺布尔·阿尔卑斯大学的同事联合，在这一过程中迈出了一小步。基于过渡金属化合物TmVO4及其独特的铁四极有序状态，他们构建了物理问题。前人已经知道，单个有序铁磁四极态实际上是一种伊辛自旋向列相。使用外部磁场来控制这种四极有序相，将使我们能够仔细探索和理解自旋向列相本身的物理性质，从而为理解铁基超导体中超导相穹附近正交区域中自旋向列相的作用奠定基础。

图3。几种自旋结构示意图。上部:铁磁；a型反铁磁；c型反铁磁；铁四极有序自旋向列相。下半部分:自旋无序、向列有序、磁有序三种自旋结构，正好对应图2铁基超导相图中的高温四方无序态、中间向列相区和低温正交反铁磁相区。T. Hikihara等人，PRB 100，214414。https://link . springer . com/chap/10.1007/978-981-10-4998-9 _ 6

所谓电子向列相是指特定的量子态，如图3所示。自旋的低能激发破坏了磁晶格的旋转对称性，但仍保持其平移对称性。注意到Tm的4f电子具有独特的轨道特性，使得TmVO4在低温下形成铁四极的纯有序态，而这种有序态恰好对应这种特定的向列有序。因此，低温下的TmVO4是研究自旋向列相的理想平台。正如伊辛所认识到的，他们的目标是展示自旋向列相的基态和低能激发的演化过程。

但很明显，TmVO4在成分、晶体结构、能带结构等方面与铁基超导体系不同。既然铁基超导体系本身很难找到纯自旋向列态，不如选择TmVO4中的类比，虽然难免无奈。TmVO4 _ 4毕竟不同于铁基超导体系，但这里的物理意义在于:如果不同呢？谁能说TmVO4中向列相的研究不能惊天动地？！

Curro教授通过基于核磁共振NMR的仔细测量和分析揭示，沿着C轴施加的外部磁场可以等效于四极子序列参数的横向场。基于半量子哈密顿量，这一特性使得控制系统有可能进入量子相变附近，从而产生新的物理和可能的超导性。反之，如果是面内磁场，这个哈密顿量的调节就很不一样了，

毫无疑问，这种具有纯自旋向列相的系统是罕见的。但物理细节和分析方法，读者通读原文就能轻松获得。有兴趣的不妨去复习一二。