我國學者揭示磁場驅動三維阻挫磁性材料的量子臨界現象

　　近日，中國科學院強磁場科學中心、中國科學技術大學、復旦大學和美國田納西大學組成的合作研究團隊，利用強磁場、極低溫極端條件在三維阻挫磁性材料ZnCr₂Se₄的物性研究中取得重要進展。該團隊通過強磁場、極低溫下的直流/交流磁化率、熱導和比熱等測量手段，完善了ZnCr₂Se₄的磁場-溫度相圖，并發現了一個磁場誘導的量子相變，相關結果以Field-Driven Quantum Criticality in the Spinel Magnet ZnCr₂Se₄為題發表在期刊Physical Review Letters上。

圖1 ZnCr2Se4溫度-磁相圖

　　過渡金屬氧、硫屬尖晶石ACr₂X₄ (A = Zn, Cd, Hg； X = O, S, Se)是一類典型的磁阻挫體系，在低溫下這類材料具有復雜的磁基態，并表現出磁場誘導的分數磁化強度平臺、零能模式等奇異的量子行為；此外，隨著外加磁場的增加，ACr₂X₄體系在螺旋自旋序和完全極化態之間，還普遍存在一個未確定的新相。針對這個未確定的新相，人們提出了兩種可能的解釋：雨傘狀的自旋態或者自旋液晶相，這兩者都將破壞自旋旋轉對稱性。

　　為了探尋這個未知新相的物理本質，團隊研究人員通過極低溫和強磁場下的物性測量，拓展了ZnCr₂Se₄材料的溫度-磁場相圖，實驗確定該新相存在于臨界磁場HC₂和HC₃之間，HC₂隨著溫度降低逐漸向高場移動，而HC₃逐漸向低場移動，并最終重合在一個量子臨界點，表明絕對零度下螺旋自旋序到完全極化態之間的轉變為量子相變，而在HC₂和HC₃之間存在的未知新相為磁場誘導的量子臨界區域（如圖1所示），該量子臨界區域具有不尋常的臨界模式，不能被簡單的Ising或者Gaussian臨界模型所解釋；在量子臨界點附近（6.5T），比熱在極低溫下符合T2的指數關系，同時熱輸運上顯示出平均自由程不隨溫度變化。該工作為阻挫量子臨界行為研究提供了新的思路。

　　上述研究成果得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目的資助。