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李政道研究所吴建达团队在量子临界动力学领域取得突破

2019-11-14

   近日,李政道研究所李政道学者吴建达的理论团队与德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)的王喆博士所在实验团队在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上,以“Quantum Critical Dynamics of a Heisenberg-Ising Chain in a Longitudinal Field: Many-Body Strings versus Fractional Excitations”为题发表最新研究成果【Phys. Rev. Lett. 123, 067202 (2019)】。学者吴建达为该合作理论部分通讯作者,李政道研究所博士后邹海源为文章共同作者,王喆博士为该合作实验部分通讯作者。合作单位还包括奥格斯堡大学、布列颠哥伦比亚大学、东京大学、华中科技大学、科隆大学。

  
图1:反铁磁海森堡-伊辛自旋链材料BaCo2V2O8在纵向磁场中的相图。
图2:温度2K时在不同能量及磁场之下的透射谱强度投影图。对于磁场B>Bc,可观察到弦激发及分数激发的吸收峰随磁场调节呈现了对应于不同斜率的线性移动的情况。
图3:利用代数贝特拟设得到的横向动力学结构因子在不同磁化程度下的对应于不同转移动量的多体激发谱。可以看到,这些不同类的激发谱在能量上是完全分离的,并且随着磁化强度的减弱,弦激发所占的谱权重逐步增强,其中2-弦激发同步的往无能隙方向移动,并会最终强烈影响系统低能物理。
在该工作中,上述团队利用高分辨太赫兹谱学技术系统地研究了反铁磁海森堡-伊辛自旋链材料BaCo2V2O8在温度和纵向磁场调节之下的量子自旋动力学行为。在奈尔温度(TN≈ 5.5K)以下的反铁磁相中观察到禁闭自旋子激发,这些禁闭自旋子激发能对三维长程序里的自旋动力学行为给出有有效描述。在低温下的临界磁场(Bc = 3.8T)以上的场致无能隙相中,通过与贝特拟设(Bethe ansatz)的计算进行比较,识别出多体弦激发以及低能分数psinons及anti-psinons激发,并揭示了对于类伊辛自旋链材料BaCo2V2O8在纵场诱导的无能隙区域的自旋动力学行为的选择定则。在低磁化强度的量子临界区域附近,虽然也存在低能的psinons或anti-psinons的分数激发,但多体弦激发对量子临界动力学行为亦具有显著贡献。 传统上人们普遍认为拉廷格液体(Luttinger liquid)理论能有效描述此类体系中的量子临界动力学行为。而该工作明确表明不能被拉廷格液体理论所描述的多体弦激发态在量子临界动力学中会起到不可忽视的重要作用。这一方面意味着该研究工作超越了传统拉廷格液体理论普适类对该类体系量子临界动力学的认识,表明了该体系的量子临界区域极其丰富的物理行为;另一方面也表明,在更广泛意义上,所有基于传统普适类对量子临界动力学的认识都需要重新再审视。这些意味着需要有超越传普适类的眼光及能力对量子多体系统的量子临界行为进行更加系统而深入的考察以期获得关于量子多体系统的新的基本规律直至更为完整而全面的认识,从而开拓出量子多体系统研究新的广阔天地。 在该合作研究中李政道学者吴建达得到了上海人才计划的支持。

来源:上海交通大学 新闻学术网

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