量子自旋液體是凝聚態物理學家追尋已久的新奇物質形態。它由諾貝爾獎得主P. W. Anderson在70年代首次提出，80年代末被用來嘗試解釋當時剛發現的高溫超導現象。傳統的物質形態可以用能帶理論和對稱性自發破缺理論來描述，而自旋液體作為沒有對稱性破缺的量子物質形態需要用新的理論框架來描述。這個新框架下的重要概念是拓撲序，它是討論諸如分數量子霍爾效應以及量子自旋液體的語言。不同的拓撲序體現了自旋液體這類量子多體系統中不同程度的量子糾纏，系統也因此遵從既不同于玻色-愛因斯坦也不同于費米狄拉克形式的分數統計。通過引入載流子，自旋液體材料有可能形成新的非傳統超導體。由于拓撲序的穩定性和糾纏性，自旋液體材料還有望成為實現拓撲量子計算的材料基礎。
具有 Kagome（籠目）晶格的阻挫磁體材料，是可能實現量子自旋液體的舞臺。目前，ZnCu3(OH)6Cl2 (Herbertsimithite)是一種被很多人接受的Kagome晶格量子自旋液體材料。為了探索更多新型的量子自旋液體，人們不斷尋找新的kagome晶格自旋體系化合物。通過第一原理計算，劉崢、鄒小龍、梅佳偉和劉鋒等人預言了一種新的Kagome晶格阻挫磁體材料Cu3Zn(OH)6FBr （Phys. Rev. B 92, 220102 (2015)）。這個材料與Herbertsmithite類似，都有二維kagome銅平面。但是，Cu3Zn(OH)6FBr具有相對簡單的晶體結構（比如，herbertsmithite的二維kagome銅平面是ABC疊積，而Cu3Zn(OH)6FBr卻是AA疊積的），給實驗測量帶來的干擾因素較少。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）EX01組研究生馮子力、研究員石友國成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr。物理所鄭國慶研究組（SC09組）副研究員李政展開了核磁共振研究。這項工作是一個理論和實驗通力合作的典型例子：南方科技大學助理教授梅佳偉、物理所SC08組研究員李世亮、T03組副研究員孟子楊，復旦大學教授李世燕以及清華大學副研究員劉崢參加組成了研究團隊。研究團隊發現，該材料具有與Herbertsimithite相似量級的強反鐵磁相互作用（J~17 meV），然而極低溫下（50mk）熱力學測量沒有觀測到任何磁性長程序形成，表明Cu3Zn(OH)6FBr是Kagome晶格量子自旋液體的新的代表性系統。通過19F的NMR測量，研究團隊確定了有能隙的1/2自旋的自旋子激發。如圖1所示，Cu3Zn(OH)6FBr為層狀的Kagome晶格，Kagome面由自旋1/2的Cu原子構成，系統可以理解為具有反鐵磁相互作用的阻挫Kagome晶格模型。磁化率、比熱等熱力學測量顯示，在50mK時，系統仍然沒有磁性。
由于Cu3Zn(OH)6FBr中的19F原子核具有1/2自旋，如圖2所示核磁共振譜只有一個峰。因此信號不會受到電場梯度的影響，能夠更本質地反映磁性信息。而以往研究的Herbertsmithite材料中的原子核自旋大于1/2從而受到電場梯度影響，出現多個共振峰，干擾對磁性的研究。因此，雖然在Herbertsmithite材料中觀測到了自旋能隙，但無法分辨自旋激發是自旋1/2還是整數自旋。與此相反，Cu3Zn(OH)6FBr的獨特性質為驗證自旋激發提供了絕好機會。實驗結果顯示，在零磁場時，系統具有～7 K 的自旋能隙；如果把系統放置在磁場中，這個自旋能隙會隨著磁場的增大而減小。而能隙隨磁場變化的斜率恰恰反映了系統中磁性元激發的自旋量子數。對于常規的磁性材料，其元激發是自旋為1的磁振子（magnon）。而圖2中的數據清晰地顯示，在Cu3Zn(OH)6FBr中，系統的元激發是自旋1/2的，即帶有分數化自旋的自旋子（spinon）。
有能隙的量子自旋液體，并且具有1/2自旋的spinon元激發，是Z2類型（即Toric code）拓撲序的量子自旋液體的確定性信號。這是在具體材料中觀察到Z2拓撲序量子自旋液體的第一個確定性例子。這項成果一經發表，便受到了國際同行的廣泛關注，Herbertsmithite的合成人、斯坦福大學教授Young Lee反復在各個重要學術會議中進行介紹。拓撲序理論的創始人、麻省理工學院教授文小剛也應邀為這項成果專門撰文評價(Chin. Phys. Lett. 34 (9) (2017))。對于這項工作的重要性，文小剛認為，正如在量子分數霍爾效應中直接觀測到分數化的電荷，直接觀測到電中性且具有分數化自旋1/2的激發，是十分令人振奮的結果。
研究團隊對于Cu3Zn(OH)6FBr的后續實驗觀測和理論計算，正在逐步深入下去。
這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項等的資助。
