由量子漲落導致的有序－無序相變是凝聚態理論研究的一個基本問題。研究這種量子相變的一個基本物理模型是在橫向磁場作用下一維自旋S=1/2的Ising模型，這個模型等價於二維的經典Ising模型，早在半個世紀之前，著名的化學物理學家Onsanger就給出了這個模型的嚴格解，其結果極大地推動了對相變臨界現象、量子磁性、量子糾纏和許多其他基本物理問題的研究。但在實際的物理系統，絕大多數情況下，自旋都是大於1/2的。這時，由於存在新的自由度，求解量子Ising模型變得很難。例如，對於自旋為1的量子系統，除了自旋朝上和朝下的兩種極化狀態之外，還存在自旋極化為零的中性極化態，相當於一個空穴。一般情況下，空穴可以衰變為一對正負為1的極化態，反之亦然。這不僅破壞了有序態的穩定性，也破壞了這類模型的可積性。
最近，中科院物理所向濤研究員與浙江大學近代物理中心戴建輝教授以及他們的學生合作，在求解各向異性晶體場作用下自旋為1的量子Ising模型方面取得了突出進展。他們提出了一套空穴分解方案，並利用Jordan-Wigner變換，得到了這一模型全部本徵態的嚴格解。根據這個模型的性質，他們進一步提出了一種迭代方法，處理對各種空穴構形的統計平均，使得計算熱力學極限下系統的各種熱力學量成為可能，並得到了這個模型熱力學量的嚴格結果。這種迭代方法具有很強的普適性，不僅可以研究自旋為1的量子Ising模型，而且可以普遍地用於研究有非磁性雜質摻雜的量子磁性系統。他們的工作確定了該模型豐富的相圖結構，通過熱力學量的計算發現了空穴激發導致的比熱尖峰效應和對量子臨界漲落的抑止行為，對進一步研究高自旋模型中的量子相變與臨界行為有指導意義。相關的結果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters） 上。
這項研究得到了中國科學院、教育部、國家自然科學基金和科技部項目的支持。（來源：中科院物理所）
（《物理評論快報》（Physical Review Letters），100, 067203 (2008) ，Zhihua Yang，Tao Xiang）