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实现去禁闭量子临界点的实验！
以局域序参量和对称性破缺为圭帛的朗道-金兹伯格-威尔逊(Landau-Ginzburg-Wilson, LGW)相变和物质分类理论是传统凝聚态物理学的基石。近年来，以拓扑序、涌现物质场与规范场耦合为特点的量子物质科学新范式，正在逐步超越这个框架，其中去禁闭量子临界点 (deconfined quantum critical point, DQCP)是一种新型量子相变的典型代表。
通常，当相变点两边的相A和相B具有不同的对称性，且互不为子集时，按照传统的Ginzburg-Landau相变理论分析，该相变点应该是一个一级相变，而人们发现一些特殊的系统里该相变可以是二级相变，比如二维自旋系统里Neel到VBS的转变。这里Neel相破坏了Spin SU(2)对称性，VBS相破坏了平移和旋转对称性。这种特殊的二级相变的相变点就是DQCP。
DQCP 是量子物质科学新范式的先例，体现着分数化、物质场和规范场耦合、演生连续对称性等量子物质科学新范式的基本思路。DQCP，长期以来一直作为一个理论上的可能性而存在，2007年波士顿大学的 Anders Sandvik 教授，设计出量子磁学 J-Q 模型，并用量子蒙特卡罗模拟来研究其性质，这个可能性才渐渐落到实处，引起了多体理论计算和量子磁学实验领域对于这个问题的广泛关注。
然而，即使可以进行数值计算，去禁闭量子临界行为本身的难度和广度仍然让人生畏。十几年过去了，仍有几个基本的问题困扰着理论-数值-实验的整个领域，这些问题包括：1）去禁闭量子临界点，作为一个连续相变，在J-Q 模型或者其他人为设计的模型中是否真正存在？2）理论上预言的，在这个临界点上的演生连续对称性是否存在？3）要在量子磁性材料中子散射实验中观察到去禁闭量子临界现象，应该寻找怎样的谱学信号？
前两条作为理论上根本性的问题，十几年来一直被激烈地争论着、一时没有停息的迹象。
鉴于此，中国人民大学于伟强教授、俞榕教授与中科院物理所Anders W. Sandvik等人在Science上发文，通过对量子磁体SrCu2(BO3)2的高压核磁共振测量，证明了在1.8GPa以上的低温（Tc≃0.07K）时，磁场诱导四聚体态plaquette-singlet-单线态到反铁磁的转变。一级跃迁特征随着压力的增加而减弱，并且在最高压力2.4GPa处，观察到了量子临界标度。在模型计算的支持下，这些观察结果可以用一个近似的 DQCP 来解释，该 DQCP 诱导临界量子涨落和有序参数的紧急 O(3) 对称性。该研究结果为 DQCP 的调查提供了一个具体的实验平台。
图 1. 实验概述
【相的核磁共振鉴定】
作者利用对量子磁体SrCu2(BO3)2单晶的高压11B核磁共振测量，首先讨论 NMR 线位移以检测相关的量子相和跃迁，证明了在1.8 GPa以上的显著低温Tc ≃0.07 K下，磁场诱导的片状单重态到反铁磁跃迁。跃迁的一阶特征随着压力的增加而减弱，作者在最高压力下观察到量子临界标度，2.4 GPa。
图 2. 示意图相图和 DQCP 场景
图 3. NMR 光谱和线位移
图 4. 原子力显微镜过渡
【自旋晶格弛豫率、量子临界松弛】
作者接着研究了自旋晶格弛豫率，1/T1是低能自旋涨落的直接探针，比线位移能更精确地检测PS和AFM跃迁；两个探针给出了一致的结果。图 5 A 和 B 显示了 P=2.1 GPa 时的 1/T1，适用于低于和高于 6.2 T 的广泛应用领域，分别对应于低 T 的PS 和 AFM 阶段；图 5 C 和 D 显示了在 2.4 GPa 和 5.8 T 时的分离。图 5F 显示了这些信号在 P = 2.1 和 2.4 GPa 时显示的非常清晰的场感应 PS-AFM 转换。PS 和 AFM 边界 TP(H) 和 TN(H) 在非常低的 Tc 处相遇。鉴于相位共存（图 4A 和 B），Hc 处的 QPT 显然是一阶的。图 4C 中的代理 AFM 阶数参数 fR−fL 与在两个压力下从1/T1确定的Hc一致。 fR−fL在较高压力下的更小的一阶不连续性表明接近连续 QPT。
图 5. 自旋晶格弛豫
【量子自旋模型】
作者利用转向棋盘J-Q模型(CBJQM)，其中四自旋相互作用Q替换SSM中的J’。CBJQM适用于量子蒙特卡罗模拟，并承载PS和AFM相，这些相由零场处出现的O(4)对称性的一阶跃迁分开。作者定义g=J/Q和h=H/J且J=1。在图6B的相图中，场驱动的PS-AFM转变是一阶的。图6C表明在g=0.2时计算出CBJQM的自旋间隙。垂直虚线表示hc，实线适合Δ(h)=Δ(0)−h。placette顺序参数的计算分布如图6D-F所示：双峰(D)、平台(E)和单峰(F)分布分别出现在PS阶段(h=0.55)、过渡阶段(h=0.62)和AFM阶段(h=0.69)。在模型计算的支持下，这些实验观测，可归因于诱导临界量子涨落的近似DQCP，以及序参量的层展O(3)对称性。
图 6. 自旋间隙和新兴对称性
【总结】
研究人员表示：对Tc的明显抑制和没有明显的PS间隙不连续是附近的DQCP产生的新兴O(3)对称性的后果。在最高压力（2.4 GPa）下，1/T1在0.2和2 K之间的T表现出临界缩放，表明足够接近DQCP（它可能是多临界类型），以实现过渡的间隙PS侧的特征量子临界。在过渡的无间隙侧的强三维AFM订购效应(AFM ordering effect)掩盖了1/T1的推定量子临界性，但AFM订购温度TN消失的方式与PS订购TP非常相似，再次支持秩序参数的出现对称性。
研究人员指出：在本文达到的最高压力之外，一个合理的情况是PS和AFM相之间的QSL：本文的实验并没有直接解决QSL。未来，进一步的调查应该阐明2.6和3GPa之间的低T，H=0状态（在那里没有检测到秩序order），以及当H接近5.7T时的演变，本文目前的实验指出DQCP略高于2.4GPa。
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来源：高分子科学前沿
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