量子自旋液體是凝聚態(tài)物理學(xué)家追尋已久的新奇物質(zhì)形態(tài)。它由諾貝爾獎得主P. W. Anderson在70年代首次提出，80年代末被用來嘗試解釋當(dāng)時剛發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的物質(zhì)形態(tài)可以用能帶理論和對稱性自發(fā)破缺理論來描述，而自旋液體作為沒有對稱性破缺的量子物質(zhì)形態(tài)需要用新的理論框架來描述。這個新框架下的重要概念是拓撲序，它是討論諸如分數(shù)量子霍爾效應(yīng)以及量子自旋液體的語言。不同的拓撲序體現(xiàn)了自旋液體這類量子多體系統(tǒng)中不同程度的量子糾纏，系統(tǒng)也因此遵從既不同于玻色-愛因斯坦也不同于費米狄拉克形式的分數(shù)統(tǒng)計。通過引入載流子，自旋液體材料有可能形成新的非傳統(tǒng)超導(dǎo)體。由于拓撲序的穩(wěn)定性和糾纏性，自旋液體材料還有望成為實現(xiàn)拓撲量子計算的材料基礎(chǔ)。 pgd9_'[5  
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　　具有 Kagome（籠目）晶格的阻挫磁體材料，是可能實現(xiàn)量子自旋液體的舞臺。目前，ZnCu3(OH)6Cl2 (Herbertsimithite)是一種被很多人接受的Kagome晶格量子自旋液體材料。為了探索更多新型的量子自旋液體，人們不斷尋找新的kagome晶格自旋體系化合物。通過第一原理計算，劉崢、鄒小龍、梅佳偉和劉鋒等人預(yù)言了一種新的Kagome晶格阻挫磁體材料Cu3Zn(OH)6FBr （Phys. Rev. B 92, 220102 (2015)）。這個材料與Herbertsmithite類似，都有二維kagome銅平面。但是，Cu3Zn(OH)6FBr具有相對簡單的晶體結(jié)構(gòu)（比如，herbertsmithite的二維kagome銅平面是ABC疊積，而Cu3Zn(OH)6FBr卻是AA疊積的），給實驗測量帶來的干擾因素較少。 1$_|h@  
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　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）EX01組研究生馮子力、研究員石友國成功合成了Cu3Zn(OH)6FBr。物理所鄭國慶研究組（SC09組）副研究員李政展開了核磁共振研究。這項工作是一個理論和實驗通力合作的典型例子：南方科技大學(xué)助理教授梅佳偉、物理所SC08組研究員李世亮、T03組副研究員孟子楊，復(fù)旦大學(xué)教授李世燕以及清華大學(xué)副研究員劉崢參加組成了研究團隊。研究團隊發(fā)現(xiàn)，該材料具有與Herbertsimithite相似量級的強反鐵磁相互作用（J~17 meV），然而極低溫下（50mk）熱力學(xué)測量沒有觀測到任何磁性長程序形成，表明Cu3Zn(OH)6FBr是Kagome晶格量子自旋液體的新的代表性系統(tǒng)。通過19F的NMR測量，研究團隊確定了有能隙的1/2自旋的自旋子激發(fā)。如圖1所示，Cu3Zn(OH)6FBr為層狀的Kagome晶格，Kagome面由自旋1/2的Cu原子構(gòu)成，系統(tǒng)可以理解為具有反鐵磁相互作用的阻挫Kagome晶格模型。磁化率、比熱等熱力學(xué)測量顯示，在50mK時，系統(tǒng)仍然沒有磁性。 SDu%rr7sQ  
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　　由于Cu3Zn(OH)6FBr中的19F原子核具有1/2自旋，如圖2所示核磁共振譜只有一個峰。因此信號不會受到電場梯度的影響，能夠更本質(zhì)地反映磁性信息。而以往研究的Herbertsmithite材料中的原子核自旋大于1/2從而受到電場梯度影響，出現(xiàn)多個共振峰，干擾對磁性的研究。因此，雖然在Herbertsmithite材料中觀測到了自旋能隙，但無法分辨自旋激發(fā)是自旋1/2還是整數(shù)自旋。與此相反，Cu3Zn(OH)6FBr的獨特性質(zhì)為驗證自旋激發(fā)提供了絕好機會。實驗結(jié)果顯示，在零磁場時，系統(tǒng)具有～7 K 的自旋能隙；如果把系統(tǒng)放置在磁場中，這個自旋能隙會隨著磁場的增大而減小。而能隙隨磁場變化的斜率恰恰反映了系統(tǒng)中磁性元激發(fā)的自旋量子數(shù)。對于常規(guī)的磁性材料，其元激發(fā)是自旋為1的磁振子（magnon）。而圖2中的數(shù)據(jù)清晰地顯示，在Cu3Zn(OH)6FBr中，系統(tǒng)的元激發(fā)是自旋1/2的，即帶有分數(shù)化自旋的自旋子（spinon）。 <IBWA0A=8a  
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