李政道研究所學者吳建達對多磁子弦激發態的研究取得重要進展

2021-01-08 上海交通大學新聞網

近日，李政道研究所學者吳建達研究團隊與德國的Bella Lake教授領導的中子散射實驗團隊合作在物理學頂尖期刊《自然·物理》（Nature Physics）上以 「Dispersions of many-body Bethe strings」為題發表最新研究成果【https://doi.org/10.1038/s41567-020-0835-7】

此項研究通過對準一維反鐵磁材料SrCo2V2O8在強縱向磁場中的中子散射實驗，詳細揭示了對應於自旋1/2的反鐵磁海森堡-伊辛鏈的各類多體激發，特別是系統中新穎的多磁子弦激發態在布裡淵區的譜分布及其磁場依賴行為。實驗得到的低能分數激發以及弦激發態的特徵能量、散射強度及譜線寬度與精確的代數貝特擬設(algebraic Bethe ansatz)的計算結果達到驚人的吻合。這樣的吻合不僅僅只是在低能的區域，更是擴展到了從中能到高能的廣闊區域，這既展示了在強關聯領域裡實驗及理論研究間精誠合作的一次罕見成功，同時也顯示了量子多體系統所蘊含的極其豐富的物理。考慮到實驗材料實際為弱鏈間耦合的三維量子磁性材料，故系統的可積性質已經破壞，但是來自一維量子可積系統的嚴格代數貝特擬設解所獲得各類多體動力學激發及其譜權重仍然和實驗結果高度吻合，這意味著一維可積系統中能被嚴格理解的各類多體激發可以被有效地推廣到超越一維的弱鏈間耦合情形，從而為嚴格理解超越一維的量子磁性系統鋪就了一個堅實的基礎，打開了研究量子多體磁性系統的廣闊空間。

圖一：a)SrCo2V2O8的晶體結構；b) SrCo2V2O8在沿c軸縱向磁場下的物理相圖；c)各相對應的基態的自旋位形示意圖。

 

圖二：a、b)對於縱向磁場在6T及9T時非彈性中子自旋散射譜在能量及沿c軸的轉移動量上的非彈性散射譜強度投影圖；c、d)代數貝特擬設在相應的磁化強度時的自旋動力學譜的理論計算結果，動力學譜強度分布亦投影到了能量及一維動量平面上。由於材料沿c軸的四重周期結構，布裡淵區的摺疊已經計入理論結果。可以看到，理論結果和實驗結果達到高度的吻合。


圖三：沿著確定轉移動量的代數貝特擬設的解析結果與實驗數據的比較。斷黑線為不包括弦激發態時的理論結果，實紅線為包含了弦激發態時的理論結果，數據點為非彈性中子實驗測量數據。實驗結果與包含了弦激發態貢獻的理論結果無論是在譜峰的位置與寬度還是譜的強度分布上都達到了驚人的吻合。這意味著所測量的材料確實能被一維自旋1/2反鐵磁海森堡-伊辛模型所精確描述；也意味著從這一維可積系統得到的各類多體激發態具有很強的魯棒性，依然能在弱鏈間耦合的量子磁性系統的動力學過程中起到決定性的作用！ 

此研究項目執行人為：李政道學者吳建達以及德國柏林亥姆霍茲中心Anup K. Bera博士和Bella Lake教授；通訊作者為：李政道學者吳建達、Anup K. Bera博士、Bella Lake教授、與不列顛-哥倫比亞大學的楊望博士。

在該合作研究中李政道學者吳建達得到了上海人才計劃的支持。


原文連結：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0835-7

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