清華大學(xué)在高自旋姚-李模型研究中取得重要突破
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，清華大學(xué)高等研究院姚宏研究組在量子物理領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，他們首次提出了高自旋的姚-李模型(Yao-Lee model)，并詳細(xì)闡述了該模型的基態(tài)是一種新奇的量子自旋軌道液體(quantum spin-orbital liquid)。這一研究成果不僅為探索新奇拓?fù)湮飸B(tài)提供了新的方向，還有望推動(dòng)拓?fù)淞孔佑?jì)算及新型材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展。
量子自旋軌道液體是一類具有長程量子糾纏的新奇量子物態(tài)，因其豐富而獨(dú)特的物理性質(zhì)，如拓?fù)湫?、任意子激發(fā)、去禁閉的分?jǐn)?shù)化激發(fā)等，在過去幾十年間引起了不同領(lǐng)域物理學(xué)家的廣泛關(guān)注和深入研究。然而，與傳統(tǒng)的自發(fā)對(duì)稱性破缺相不同，量子自旋軌道液體的實(shí)現(xiàn)通常要求量子體系滿足更為嚴(yán)苛的條件，如足夠強(qiáng)的自旋或軌道阻挫，這使得在材料預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中確定量子自旋軌道液體具有挑戰(zhàn)性。此外，目前理論上已知能夠?qū)崿F(xiàn)這種量子物態(tài)的二維微觀晶格模型仍然非常稀少。
姚宏研究組在研究中將自旋1/2的姚-李模型推廣到高自旋，并證明其基態(tài)具有非平庸的拓?fù)湫?。自旋S=1/2的姚-李模型由姚宏教授和加州大學(xué)伯克利分校的李東海教授于2011年提出，在先前研究中被發(fā)現(xiàn)具有嚴(yán)格可解性，其拓?fù)浼ぐl(fā)可具有自旋對(duì)稱性保護(hù)的多重馬約拉納零能模。然而，高自旋的姚-李模型的基態(tài)目前尚不能被嚴(yán)格求解，姚宏研究組通過分析高自旋的姚-李模型的嚴(yán)格的規(guī)范結(jié)構(gòu)，證明其基態(tài)必定為拓?fù)浞瞧接沟牧孔幼孕壍酪后w。
更進(jìn)一步，研究通過可控的理論分析，論證了這些高自旋模型可實(shí)現(xiàn)無能隙甚至非阿貝爾的量子自旋軌道液體相，并構(gòu)造了嚴(yán)格的去禁閉非阿貝爾自旋分?jǐn)?shù)化激發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)有望為拓?fù)淞孔佑?jì)算提供新的前景。
這一研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)理論物理專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、新基石科學(xué)基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃等的資助。姚宏研究組的研究成果不僅為量子物理領(lǐng)域帶來了新的突破，也為未來拓?fù)淞孔佑?jì)算和新型材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向。
相關(guān)研究成果以Exact Deconfined Gauge Structures in the Higher-Spin Yao-Lee Model: A Quantum Spin-Orbital Liquid with Spin Fractionalization and Non-Abelian Anyons為題，于近日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。清華大學(xué)高等研究院博士后武爭(zhēng)志(現(xiàn)為牛津大學(xué)博士后)和2018級(jí)博士生張景云為論文共同第一作者，教授姚宏為論文通訊作者。
來源：清華大學(xué)
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