量子伊辛磁体K2Co(SeO3)2中超固态的相图与光谱学证据

《Nature Communications》：Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K2Co(SeO3)2

本文报道了在三角晶格反铁磁体K2Co(SeO3)2中通过中子衍射等实验手段，观测到兼具超流性和固体性的超固态量子态。研究揭示了零场下存在具有Z3平移对称性破缺和U(1)自旋转动对称性破缺的超固态相，并在近饱和磁场下发现了第二个超固态相，二者被一个支持相干自旋波的1/3磁化平台相所分隔，从而确定了基础的自旋哈密顿量。该工作为理解强关联量子系统中的奇异量子相提供了关键实验证据。

　　

在量子物质的奇妙世界里，科学家们一直致力于寻找那些融合了看似矛盾特性的奇异状态。超固态（Supersolid）便是这样一位“双面舞者”，它理论上应同时具备固体的刚性晶格结构和超流体的零粘滞流动特性。这种量子纠缠态（quantum-entangled state）物质自从数十年前被理论预言以来，一直是凝聚态物理领域备受追捧的“圣杯”之一。理论指出，在三角晶格上半填充或近全填充的硬核玻色子（hard-core bosons）可以形成这种相。然而，将理论模型与真实材料对应起来，并在实验中清晰地捕捉到超固态存在的确凿证据，是一项极具挑战性的任务。问题的核心在于：我们能否在真实的三维量子材料中找到这样一个理想的舞台，来观测并证实超固态的存在？这不仅是检验基础物理理论的试金石，更是探索强关联电子系统新奇量子现象的关键一步。

为了回答这个根本问题，研究人员将目光投向了三角晶格反铁磁体K₂Co(SeO₃)₂。这项研究发表在《Nature Communications》上。研究者们利用玻色子与自旋-¹/₂自由度之间的精确映射关系，通过综合运用中子衍射（neutron diffraction）等尖端实验技术，系统地探测了该材料在不同条件下的磁结构和激发谱，旨在寻找超固态相存在的实验特征。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键的技术方法。首先是中子衍射技术，用于探测材料的磁结构有序和对称性破缺。其次是中子散射谱学，特别是对连续谱（continuum）的测量，用以分析系统的低能激发和量子涨落。此外，研究还在不同强度和方向的磁场（尤其是c轴方向）下进行了系统的测量，以绘制完整的相图并观察磁化行为（如磁化平台）。这些实验的开展，使得对材料基态和激发态的全面表征成为可能。

零场下的超固态证据

在零外加磁场条件下，中子衍射实验揭示了材料中形成了准二维的√3×√3磁有序。这种有序模式意味着系统发生了Z₃平移对称性破缺，这正是固体性（结晶序）的特征。然而，测量到的有序振幅有所减弱，这强烈暗示系统中存在着显著的量子涨落（quantum fluctuations）。这些涨落的具体表现是，在中子散射谱中观测到了等间距的连续谱带。尤为关键的是，其中能量最低的模在动量空间K点（¹/₃, ¹/₃）处是无能隙的（gapless）。这一特征与U(1)自旋转动对称性的破缺相符，而U(1)对称性破缺正是超流性（无耗散流动）的标志。因此，零场下的实验证据同时满足了超固态所要求的固体性（Z₃破缺）和超流性（U(1)破缺）双重条件。

高场下的第二个超固态相

当沿着材料的c轴施加磁场并使其接近饱和值时，研究人员发现了第二个新奇的量子相。该相的实验特征同样与超固态的理论预言相一致。这表明在K₂Co(SeO₃)₂中，超固态并非孤例，它可能在更广阔的磁场参数空间内存在。

分隔两个超固态的磁化平台相

有趣的是，上述两个超固态相并非直接相邻，它们被一个非常显著的1/3磁化平台（magnetization plateau）相清晰地分隔开来。在这个平台相区域内，材料的磁化强度保持在一个恒定值，不随磁场线性变化。对该相的中子散射研究进一步发现，其中存在相干的自旋波（spin waves）激发。通过对这些自旋波色散关系的精细分析，研究人员得以反推并确定了材料背后起主导作用的微观自旋哈密顿量（spin Hamiltonian），为理解整个系统的物理本质提供了定量基础。

本研究通过精密的实验，在三角晶格量子伊辛磁体K₂Co(SeO₃)₂中成功地识别出了超固态相存在的关键证据。主要结论是：首先，在零磁场下，材料同时表现出Z₃平移对称性破缺（固体性）和U(1)自旋转动对称性破缺带来的无能隙激发（超流性），这构成了第一个超固态相。其次，在沿c轴的高场近饱和区，发现了第二个符合超固态特征的相。最后，这两个超固态相之间由一个具有相干自旋波激发的1/3磁化平台相所隔开，对该平台相的分析使得确定体系的基本自旋相互作用模型成为可能。

这项工作的意义极为深远。它不仅仅是首次在真实三维磁体材料中为三角晶格上硬核玻色子模型的超固态理论预言提供了强有力的实验验证，将长期以来停留在理论纸面的奇异量子态变为实验室中可观测量的现实。更重要的是，它展示了如何通过中子散射等现代谱学手段，同时探测对称性破缺（固体序）和低能激发谱（超流性），为在未来其他量子材料中搜寻和鉴定类似的复杂量子相提供了方法论范本。此外，研究揭示的超固态与磁化平台相之间的竞争与关联，丰富了我们对强关联量子多体系统相图的理解，为探索拓扑量子态、量子自旋液体等其它前沿物态奠定了新的材料与物理基础。