辦公平台 | 所內郵箱 | ARP | English
當前位置: 首頁 > 新聞動態 > 科研動態
中國科學院物理研究所 T03組供稿 第43期 2019年07月02日
北京凝聚態物理國家研究中心
它山之石,可以攻玉——太赫茲二維相幹光譜學打開探索量子自旋液體的新窗口

  量子自旋液體是一種出現在量子磁體中的新奇物態。與通常磁性體系相比,量子自旋液體呈現出許多獨特的物理現象,特別是所謂的分數化(fractionalization)現象。通常磁性體系中的准粒子是磁振子,攜帶一個單元的自旋角動量(自旋量子數爲1)。量子自旋液體中的准粒子是自旋子(spinon),攜帶半個單元的自旋角動量(自旋量子數爲1/2)。可以認爲,自旋子是將磁振子“一分爲二”而得到的。

  自旋子的這種一分爲二的特性是自旋子的主要實驗特征。實驗中探測自旋子,需利用外部擾動(如非彈性中子散射中的中子、太赫茲光譜學中的光子等)將自旋子激發出來,檢測這些准粒子的動量和能量吸收,從中提取關于它們的信息。以太赫茲光譜爲例,光子的能量和動量被體系吸收,並激發出自旋子。由于前述自旋子“一分爲二”的特性,自旋子只能成對産生和湮滅(圖一a)。這意味著,被吸收的光子動量和能量必須分配給這一對自旋子,而動量和能量的分配方式多種多樣。每一種分配方式均會在太赫茲光譜中表現爲一個尖銳的吸收峰,而前述多個分配方式則導致多個吸收峰。這些吸收峰擁擠在一起,最後總的效果就是一個缺乏個體特征的連續吸收譜(圖一b)。

  自旋子的這種連續吸收譜(continuum)被當作是自旋子存在的實驗證據。但是連續譜給進一步分析自旋子的物理性質帶來了挑戰。連續譜來自于多個吸收峰的組合,因此掩蓋了這些吸收峰本征的線寬與線型,也就難以進一步分析自旋子激發的譜學特性。在材料樣品或者實驗條件不理想的情況下,這種缺乏顯著特征的吸收譜使得實驗工作者難以僅憑譜學數據判斷體系中是否存在自旋子這種准粒子。

圖一,太赫茲二維相幹譜學示意圖。(a)太赫茲二維相幹譜學用一個太赫茲脈沖A激發體系中一對自旋子,用另一個太赫茲脈沖B探測它們。(b)自旋子在常規太赫茲光譜中表現爲連續吸收譜,但在二維相幹光譜中能展現出它們的本征線寬和線型。(來自文獻[1])。
  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室的万源副研究員与美国约翰霍普金斯大学物理系的实验学家Peter Armitage教授从理论上提出,太赫兹二维相干谱学(terahertz two-dimensional coherent spectroscopy)这种新兴实验技术可以给自旋子探测这个长期难题打开突破口 [1]。红外波段的二维相干谱学是一个相对成熟的实验技术,被广泛应用到分子物理、化学和生物物理等领域 [2]。近些年来,二维相干谱学被拓展到太赫兹波段 [3]。太赫兹二维相干谱学用一个太赫兹脉冲激发体系,用另一个太赫兹脉冲探测体系中的非线性光学响应,得到的光谱是激励频率和探测频率这两个频率的二维函数。

  万源与Armitage的研究发现,自旋子的太赫兹二维光谱中存在一个类似于光子回波(photon echo)的“自旋子回波”(spinon echo)信号,该自旋子回波信号可以用来拆解前述的连续谱,并提取自旋子动力学的新信息。其背后的物理机制与光子回波区分均匀展宽(homogeneous broadening)与非均匀展宽(inhomogeneous broadening)的物理机制类似。具体来说,在太赫兹二维相干谱学中,前述的自旋子对的吸收峰被展布到一个二维频率平面上,这些吸收峰沿着平面对角线方向拥挤在一起。但是,沿着反对角线方向,这些吸收峰的本征线宽则被直接揭示出来(图一b)。

 

图二:量子伊辛自旋链中自旋子的一维光谱(左起第一列)和二维(第二到四列)相干光谱。自旋子回波信号出现的通道展示在第四列,其反对角线方向的信号 宽度展示在第五列。从上到下,第一行到第三行,分别对应于理想自旋链、存在准粒子衰减的自旋链和存在无序的情形。(来自文献[1])。

  萬源與Armitage以量子伊辛(Ising)自旋鏈這個模型系統爲例,解析計算了這個體系的太赫茲二維相幹光譜,具體闡明這項實驗技術如何解析該體系中的自旋子連續譜,並進一步揭示自旋子的動力學。在完全理想的量子伊辛鏈中,自旋子爲嚴格本征態,其准粒子壽命爲無窮。對應的,在二維光譜中,自旋子回波信號在反對角線方向的寬度爲零(圖二,第一行)。當自旋子的准粒子壽命有限時,自旋子回波信號沿著反對角線方向展寬,其信號寬度反比于准粒子壽命(圖二,第二行)。最後,當體系存在無序,但是准粒子壽命依然是無窮時,反對角線方向展寬依然爲零,不受無序的幹擾(圖二,第三列)。這些理論預言,可以直接運用到以铌酸钴(CoNb2O6)为代表的量子伊辛链材料中去 [4]。相应的实验工作目前正在进行中。

參考文獻:
[1] Yuan Wan and N.P. Armitage, Phys. Rev. Lett. 122, 257401 (2019).
[2] S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy (Oxford University Press, New York, 1999); P. Hamm and M. Zanni, Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2011); 翁羽翔, 陈海龙等编著,《超快激光光谱原理与技术基础》(化学工业出版社,2013).
[3] M. Woerner, W. Kuehn, P. Bowlan, K. Reimann, and T. Elsaesser, New J. Phys. 15, 025039 (2013).
[4] R. Coldea, D.A. Tennant, E.M. Wheeler, E. Wawrzynska, D. Prabhakaran, M. Telling, K. Habicht, P. Smeibidl, and K. Kiefer, Science 327, 177 (2010).

 

下載附件>> PhysRevLett.122.257401(2019).pdf
中科院logo