研究人员在准二维反铁磁体中观察到量子临界磁振子玻色气体

限制在二维平面内的硬核玻色子的图示。图片来源：MPI-FKF

　　三维 (3D) 反铁磁体是一种材料，其中原子或离子的磁矩排列成三维晶格结构，相邻的自旋方向相反。物理学家观察到这些材料中磁场诱导的迷人相变，这种相变被描述为磁振子玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC)。

　　虽然在 2D 系统中这种转变无法发生，但准 2D 系统仍可能表现出一些 BEC 行为，以及以 2D 为主的物理过程。一些研究报告了少数准 2D 材料中存在这种行为，但仅限于实验室环境下难以达到的极高磁场。

　　马克斯普朗克固体研究所、斯图加特大学和东京大学的研究人员最近在相对较低的磁场下观察到了准二维反铁磁体 YbCl3中令人着迷的二维极限 BEC 行为。

　　他们的论文发表在《自然物理学》杂志上，具体报告了在该材料中对磁振子的量子临界玻色气体的观察。

　　“最初，我们正在寻找 Kitaev 量子自旋液体材料的新候选者，”论文合著者 Yosuke Matsumoto 告诉 Phys.org。“我们在这里研究的材料 YbCl3是一种蜂窝晶格上的伪自旋 1/2 量子磁体，理论上已经提出了 Kitaev 量子自旋液体的可能实现。受此启发，我们开始了研究。”

　　“在他们开始探索 YbCl 3可能是 Kitaev 量子自旋液体的可能性后不久，美国的两个研究小组发现稀土氯化物完全没有机会。事实上，加州大学洛杉矶分校的第一个团队发现了磁有序状态的证据，而不是量子自旋液体状态。橡树岭的第二个团队观察到，通过非弹性中子散射测量的磁激发可以非常完美地描述为传统的海森堡磁体，而不是 Kitaev 磁体。”

　　“尽管如此，我们关注的是，这种磁序在约 6 T 的饱和场下受到抑制，形成了一个量子临界点，”松本说。“我们发现，这个量子临界点提供了二维极限中 BEC 量子临界点的一个罕见例子。”

　　作为最新研究的一部分，松本和他的同事分析了纯单晶 YbCl3。他们收集了一系列高精度测量数据，评估了这些晶体在极低温度下(即低至几十毫开尔文)的比热容、磁化强度和热导率。

　　松本解释说：“我们发现，在约 6 T 的饱和场附近，比热和磁化强度的温度依赖性与二维极限下 BEC 量子临界点的理论预测完全一致。”

　　“这样，通过对这个量子临界点的表征，我们揭示了在这个量子临界点以下和以上的磁场分别对应于有限硬核玻色子经历BEC的状态(磁有序状态)和没有玻色子的真空状态(完全极化状态)。”

　　研究人员在 YbCl 3样品中观察到了量子临界二维玻色气体的形成，该气体似乎经历了 BEC。他们的研究首次通过实验证明了涉及二维硬核玻色子的量子临界过程，展示了它们作为稀薄气体的行为。

　　更多信息：Yosuke Matsumoto 等人，磁场下准二维反铁磁体 YbCl3 中的磁振子量子临界玻色气体，《自然物理》(2024 年)。