有效调控新奇量子物态中的集体激发及其磁卡效应(magnetocaloric effect),是极低温固态制冷的有效新途径。最近,中国科学院理论物理研究所李伟研究员与合作者对Kitaev六角晶格自旋液体模型开展理论研究,提出通过外场有效调控自旋液体态中的自旋子与规范场激发等,例如拓扑Z2涡旋激发(vison)。利用这些激发所携带的巨大低温熵,可以实现一种全新的磁卡效应机制——自旋液体拓扑激发致冷。
采用自主发展的先进有限温度张量重正化群方法,研究团队计算了Kitaev六角晶格自旋液体模型的低温性质。对于铁磁Kitaev情况,通过自旋分数化产生了近乎自由的Z2涡旋。在一定温区内,系统磁性可以用修正居里常数的顺磁状态方程来描述。因此,与顺磁体系绝热去磁类似,Z2涡旋的熵也可以通过磁场有效调控。从整齐排列的自旋极化相进入涨落的自旋液体相,由于Z2拓扑激发携带体系一半的磁熵,可以从环境中带走大量的热量,产生强烈的致冷效应(图1)。
对于反铁磁Kitaev情况,热张量网络计算结果支持中间磁场相为一无能隙的U(1) 量子自旋液体相,具有自旋子费米面和演生U(1)规范场,同样展现出巨大低温熵和显著致冷效应。与传统绝热去磁致冷不同,在自旋液体拓扑致冷机制中,携带磁熵的不是孤立的自旋,而是自旋子与规范场激发等集体激发。
在实际Kitaev候选材料中,除了Kitaev相互作用,还存在海森堡耦合等非Kitaev项。因此,研究团队进一步针对扩展Kitaev模型开展了多体计算,讨论实际材料中拓扑激发致冷机制的稳定性。结果表明,由于自旋分数化和拓扑激发存在于一定的能量/温度范围,该致冷机制具有鲁棒性。Kitaev阻挫磁性材料不仅在拓扑量子计算方面,而且在无液氦极低温制冷领域也有重要研究价值。
阻挫量子磁性材料中的新奇物态,通常呈现出高度纠缠与强烈涨落的特性。这带来了新颖的低温热物性,使得在远低于相互作用能量尺度的低温条件下,甚至直至零温,体系并不形成磁有序状态。研究团队通过Kitaev自旋液体系统的磁场-温度性质研究,指出丰富的低能集体激发携带着巨大的磁熵(图2)。有效调控阻挫量子磁性材料中的集体激发,可以产生新型磁卡效应,为探索低温固态制冷开辟了新的途径。
图2. 通过外场调控量子材料进入具有显著自旋涨落的新奇物态,能够引发包括拓扑激发等在内的大量集体激发,并从周围环境中吸收热量,从而产生新型磁卡效应(magnetocaloric effect)。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-51146-7