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李岳生教授团队在阻挫磁体中发现量子退火现象

发布日期:2024-04-26    作者:     来源:     点击:

(通讯员 赵玉倩)4月25日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心李岳生教授团队题为“Quantum annealing of a frustrated magnet”的论文。中心硕士生赵玉倩为论文第一作者,李岳生教授、北京航空航天大学王艳成副教授为论文共同通讯作者,中心王俊峰研究员、硕士生马兆华以及中科院福建物质结构研究所何长振研究员、中科院物理研究所廖海军副研究员参与相关研究工作。

退火是系统自动寻找最优解(即能量最低状态,简称基态)的过程。“退火”具有广阔且重要的运用场景,尤其是复杂系统从可能解中自动找到最优解的过程,如材料高温退火、更新退火算法等。常见的退火现象发生在相对高温,被称为经典退火。相对高温下,热涨落强,系统易自发从亚稳态逐渐向基态演化。而在极低温下,热涨落几乎为零,系统可能卡死在亚稳态,退火被迫终止。这时如果通过外界手段增强系统的量子涨落,引发隧穿效应,可能使得退火继续发生,这被称为量子退火。量子退火在未来量子计算和信息技术等领域具有广泛应用前景。

在无明显化学无序的α-CoV2O6单晶中,铁磁(相互作用强度:J ~ 30K)的(Kramers Co2+) Ising自旋链通过反铁磁链间耦合形成阻挫的三角晶格。该研究工作实验表明,该系统在~ 1K以下(远小于J)卡死在低磁化强度的亚稳态:在15小时的测量窗口内没有观测到任何进一步的退火现象。大尺度经典蒙特卡洛计算表明,该系统在低温下卡在拓扑的Kosterlitz-Thouless亚稳态,与实验符合。外加横向磁场可以强制破缺系统的时间反演对称性,微弱劈开Co2+的Kramers双重简并单离子态,等效于施加一个微弱的横场(一般小于~ 0.1K),但隧穿几率可以增加8个量级左右,从而诱导多体量子退火,系统迅速进入磁化强度较高的状态(更稳定)。极低温测量表明,由于量子退火效应自旋系统的弛豫时间缩短为10秒左右。施加弱横场的量子蒙特卡洛模拟计算自然地解释了上述实验现象。

经典退火(左)和量子退火(右)示意图

该研究中,高质量单晶样品由王俊峰研究员和何长振研究员提供,大规模量子蒙特卡洛研究由王艳成副教授完成,廖海军副研究员提供了理论指导。中心提供了必要的实验条件,包括支持搭建了极低温实验平台,低温团队提供实验所需液氦,王辉老师加工测量模块零件等,保障了实验的顺利开展。

该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研基金等项目支持。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-47819-y