北京大学物理学院李源和刘阳课题组在蜂窝晶格磁性材料的研究中取得重要进展

最近，北京大学物理学院量子材料科学中心的实验研究团队针对高质量的Na₂Co₂TeO₆单晶样品，确认其在低温下的磁基态为带有周期性自旋涡旋结构的三波矢态，并观测到与之相关的磁光演生现象。研究成果以《Na₂Co₂TeO₆中具有鲁棒性及可训练的自旋涡度的三波矢态》（“Robust triple-q order with trainable spin vorticity in Na₂Co₂TeO₆”）为题，在线发表于《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 135, 136701)。

Kitaev量子自旋液体态及其候选材料，由于Kitaev模型的严格可解性及其在拓扑量子计算中的潜在应用前景，近年来吸引了广泛的研究兴趣。然而，几乎所有可望实现该模型的候选材料均在低温下形成某种磁有序结构，从而偏离了预期中的量子自旋液体态。为了判断材料偏离Kitaev模型的具体方式（从而有望借助合适的外场调控重新“找回”量子自旋液体态），磁基态的判定变得十分重要。Na₂Co₂TeO₆作为3d电子体系的候选材料之一，其磁基态仍具争议，主要的争议点在于三波矢态与锯齿边态的区分，这实际上反映了单波矢态与多波矢态磁有序态区分的困难。尽管已有许多努力，但领域内对Na₂Co₂TeO₆磁基态是否为三波矢态尚未达成共识。

在本项研究中，研究人员首先发现退火后的Na₂Co₂TeO₆样品可去除晶体生长过程中留下的残应力，恢复晶体本该具有的旋转对称性。运用退火后的高质量Na₂Co₂TeO₆单晶样品，研究团队先是通过单轴压调控下的中子衍射实验发现磁有序态对轻微的旋转对称性破缺具有很高的鲁棒性，从而符合三波矢态的预期，但因难以用容易形成多个取向畴的锯齿边态理解，随后研究团队又运用法拉第旋光实验发现三波矢态的演生现象——与材料中微弱的亚铁磁矩存在耦合的自旋涡度。这一研究提供了磁基态为三波矢态的直接实验证据，建立了一种新的区分多波矢态和单波矢态的实验方法。物理上，三波矢态的鲁棒性暗示即使在相对局域的3d电子体系中仍然存在不可忽略的高阶磁性相互作用，这也对其他4d、5d电子的候选体系带来启发。

图1. Na₂Co₂TeO₆单晶单轴压结合中子衍射实验散射几何（a）及实验结果（b—d）。结构衍射峰中心移动（b—c）表明单轴压力成功施加，磁衍射峰在单轴压下未发生强度变化（d）。磁衍射峰对单轴压力的鲁棒性证明了磁基态为三波矢态，而并非具有不同取向畴的锯齿边（单波矢）态

图2. 法拉第旋光实验测到超越亚铁磁磁矩贡献的旋光效应，这可以被视作为三波矢态的一个重要的演生现象——自旋涡度所导致的法拉第旋光效应（类似于导电材料中的拓扑霍尔效应）

北京大学物理学院量子材料科学中心博士生金香红为论文的第一作者，李源和刘阳为共同通讯作者。中子衍射实验在英国ISIS中子源Fabio Orlandi、Dmitry Khalyavin和Pascal Manuel的通力合作下完成，法拉第旋光实验由金香红与耿梦乔合作完成。