（通讯员 万宗棠）12月4日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）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“Spiral Spin Liquid in a Frustrated Honeycomb Antiferromagnet: A Single-Crystal Study of GdZnPO”（阻挫蜂窝反铁磁体中螺旋自旋液体：GdZnPO单晶研究）的论文。我校为论文唯一完成单位，中心博士生万宗棠和赵玉倩为论文共同第一作者，李岳生教授为论文通讯作者，ESR团队欧阳钟文教授、李子康实验员以及博士生陈迅、硕士生马兆华参与了相关工作。

在磁体中，阻挫会导致奇异相的出现，如自旋液体，它表现出分数化的激发和拓扑序。这些奇异相与重大的科学挑战密切相关，包括理解高温超导机理和实现拓扑量子计算。螺旋自旋液体在亚简并的螺旋自旋构型态之间协同涨落，其基态波矢分别在二维或三维系统的倒易空间中形成连续的轮廓或表面。阻挫蜂窝自旋模型能产生螺旋自旋液体相，其具有非平庸拓扑低能自旋激发或缺陷，但是目前其备选材料仍然较少。

图1 (a)、(b)分别为GdZnPO晶体结构和二维蜂窝晶格，(c)为由GdZnPO自旋哈密顿量计算相互作用矩阵下本征值J_与波矢的变化关系

该研究中，团队制备了高质量的GdZnPO单晶，从实验上实现了阻挫蜂窝自旋模型。如图1所示，自旋7/2的稀土Gd³⁺离子形成蜂窝晶格，其中次近邻反铁磁耦合（J₂~0.57K）占主导地位，还存在最近邻铁磁耦合（J₁~-0.39K）和易平面单离子各向异性（D~0.30K）。这种阻挫自旋系统导致产生一种独特的螺旋自旋液体，基态波矢在倒易空间中K{1/3,1/3}点周围形成简并轮廓，并与低至30mK的磁化和比热实验结果相符，包括观察到巨大的残余比热（C₀~1.2JK^-1/mol），如图2所示。该实验表明，GdZnPO是探索螺旋自旋液体稳定性的理想平台，同时这种独特的螺旋自旋液体在低温下可在子晶格上形成低能自旋涡旋和反涡旋以及动量涡旋，这可能是实现反铁磁自旋电子学器件的重要一步。

图2 磁场沿GdZnPO单晶c轴方向的磁比热随温度变化关系（a）和磁化率随温度变化关系（b）

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，中国科学技术大学高尚教授、中国人民大学刘正鑫教授、中国科学院物理研究所廖海军副研究员和大理大学刘长乐教授为本研究提供了指导和帮助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.236704