南京大学王锐、王伯根课题组利用人工规范场实现空间局域的自旋子及其禁闭

近日，南京大学物理学院王锐副教授、王伯根教授课题组在关联自旋系统动力学研究方向取得重要进展。研究团队提出人工规范场调控磁性系统激发态的新理论，并通过数值方法实现了由磁振子分数化所产生的空间局域的自旋子以及自旋子的禁闭过程。

自旋子是凝聚态物理中的一类分数化准粒子，是量子自旋液体、高温超导体等奇异关联量子材料的基本单元。在自旋液体中，自旋子通常来自于解禁闭过程，即自旋量子数为1的磁振子可以分数化为一对自旋1/2自旋子。然而，如何实现并操控单个自旋子，仍然是领域内的重大挑战，具有重要的科学和应用价值，能够进一步推动拓扑序、任意子统计、拓扑量子计算的发展。

针对上述关键科学问题，王锐、王伯根课题组提出了通过人工规范场调控量子自旋系统激发态的新理论。如图1所示，该研究发现，在特定二维量子自旋体系中引入一维Z2人工规范场，可以实现一维拓扑非平庸的自旋链，其磁振子激发具有拓扑非平庸能带，进而在其两端产生分数化的自旋1/2的自旋子激发，这种自旋子激发可以视作嵌入于二维自旋系统内部的局域态。

图1. 人工规范场调控自旋体系激发态示意图，一维人工规范场可以诱导二维自旋体系的二阶拓扑局域态。

本工作首先考虑了具有拓扑磁振子的二维自旋模型，利用含时密度矩阵重整化群方法，计算了体态和边界上的自旋-自旋关联函数，提取出磁振子色散和边缘态等信息（图2）。如图2(b)(c)所示，边界上的自旋传播左行和右行速度明显不同，揭示了手征磁振子边缘态的存在。其次，计算发现一维Z2人工规范场会在其边界处产生一对具有自旋量子数1/2的激发模式（图3(a)）。如图3(d)所示，移动一个激发模，使其绕另一个模式绝热行走半圈，得到的几何相位趋近于π，明确揭示了其具有费米统计，验证了其自旋子物理本质。

图2. (a)含时密度矩阵重整化群计算的磁振子能谱；(b) 边界上的自旋关联函数；(c) 左行和右行自旋传播模式速度不同。

图3. (a)加入一维人工规范场(图b所示)后产生体内的局域激发；(c)在不同尺寸系统中均发现左右边界激发模式携带自旋1/2量子数；(d) 通过调节人工规范场实现局域模式的编织操作；(e) 绝热演化下计算出的统计角随着演化路径尺寸的变化，大尺寸路径下统计角显示出费米统计性质。

相较于自旋液体，这里产生的自旋子是空间局域的，具有高度可调控性。通过引入了周期含时规范场，并计算自旋子的动力学演化行为发现：当一个周期内的规范场构型发生局域形变时，自旋子始终保持稳定；而当规范场构型发生全局形变时，自旋子会逐渐从局域态演化为退局域态（如图4所示）。特别地，当规范场由局域形变逐渐演化为全局形变构型时，一对空间分离的自旋子会相互靠近，最终合并为单个自旋为1的磁振子激发，从而实现自旋子的禁闭过程。

图4. 在周期含时人工规范场驱动下的自旋子动力学演化行为，从(a)到(d)时间逐渐增加，自旋子逐渐退局域化。

该研究成果以“Artificial Gauge Field Engineered Excited-State Topology: Control of Dynamical Evolution of Localized Spinons”为题目，发表于《物理评论快报》 (Physical Review Letters, 135, 156601, 2025)。上述自旋模型和人工规范场均可以借助于里德伯原子体系得以实现，这为进一步探索可操控的单个自旋子提供了实验可能，也为构筑和操控关联量子物质中的奇异拓扑激发开辟了新思路。南京大学为第一作者和第一通讯单位，南京大学访问学者、苏州工学院任杰教授和南京大学物理学院博士研究生薛屹然为论文共同第一作者，王锐副教授和王伯根教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学研究中心和合肥国家实验室的支持。

原文链接： https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/ll8w-g9q1