中國學者提出拓撲激發磁卡效應

近日，由中國科學院大學教授蘇剛和中國科學院理論物理研究所研究員李偉組成的聯合研究團隊，運用先進的有限溫度張量網絡態方法，經大規模計算完整地給出了鐵磁與反鐵磁情形下吉塔耶夫（Kitaev）蜂巢晶格模型的溫度- 磁場相圖，發現了由拓撲激發所引發的巨大磁卡效應，并提出一種無需利用液氦的極低溫制冷新機理，為吉塔耶夫磁體可能的應用指明了新方向。這項工作發表在《自然—通訊》上。

阻挫量子磁體可作為新型的磁制冷工質，有望實現極低溫的固態制冷。吉塔耶夫量子自旋液體由于阻挫效應與量子漲落的共同作用，即便在遠低于相互作用能標的低溫甚至零溫時也不會形成磁有序，其低能拓撲激發會攜帶巨大的低溫熵，通過外場的有效調控能夠實現顯著的磁卡效應，進而實現拓撲激發極低溫制冷，這為探索新型固態制冷機制可開辟一條新途徑。

研究團隊利用自行開發的精確高效有限溫度張量網絡態方法，經大規模計算系統地給出了鐵磁及反鐵磁吉塔耶夫蜂巢晶格阻挫模型的溫度- 磁場相圖。研究發現，鐵磁系統在中間溫度區間的分數液體相存在顯著的磁卡效應，該效應源于自旋分數化所產生的近乎自由的Z₂ 規范磁通，可用一個順磁物態方程來描述。

同時，研究團隊通過熱力學計算發現，在反鐵磁情形下，中間磁場相為無能隙的U (1) 量子自旋液體相，其具有自旋子（spinon）費米面，展現出巨大的低溫熵以及更為顯著的磁卡效應，通過絕熱去磁能夠實現極低溫固態制冷。研究結果表明，該系統中的制冷機制不同于傳統磁熱效應中單個磁矩隨外場變化而帶來的磁熵變，這是一種由系統中的拓撲激發及演生規范場等集體激發所引發的新型磁卡效應，被命名為拓撲激發磁卡效應。

吉塔耶夫蜂巢晶格磁體的拓撲激發制冷機制示意圖。研究團隊供圖

研究團隊還對吉塔耶夫磁體的候選材料，如Co 基蜂巢晶格磁體 Na₂Co₂TeO₆ 中如何實現拓撲激發磁卡效應進行了研究。通過探討材料中可能存在的海森堡等非吉塔耶夫相互作用對磁卡效應的影響，發現系統的自旋分數化現象和拓撲激發穩定地存在于一定的能量/ 溫度范圍，由拓撲激發所引起的磁卡效應具有魯棒性。研究表明，吉塔耶夫量子磁體不僅在實現拓撲量子計算方面具有重要的科學價值，而且在無液氦極低溫固態制冷領域同樣有著潛在的廣闊應用前景。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51146-7