原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 1 December 2021; 

online 27 December 2021

首次利用非弹性极化中子散射实验研究了Kitaev量子自旋液体候选材料α-RuCl3中的磁激发行为，结合集团微扰理论计算体系动力学自旋关联函数，发现了α-RuCl3中分数化磁激发存在的重要证据，并进一步证明了K-Γ模型在该体系中的适用性。

图1. (a) 非弹性极化中子散射实验散射几何示意图。(b) Γ点处极化中子散射实验结果，当P//Q时，所有磁散射强度都在自旋翻转SF通道。(c) 非弹性中子散射实验得到的磁激发色散谱图。(d) K-Γ模型下的磁激发理论谱图。

量子自旋液体是一种自旋间高度纠缠而且直至零温都不表现出长程磁有序的新型量子磁性态，不能用局域序参量描写，超越了朗道范式，且存在分数化准粒子激发和衍生规范场，是近年来凝聚态物理的前沿热点、难点问题。Kitaev自旋液体是一种基于严格可解Kitaev模型的新型量子自旋液体，而且其准粒子激发是马约拉纳费米子，不仅在基础研究方面具有重要意义，而且具有实现拓扑量子计算的潜力。具有有效自旋1/2的莫特绝缘体α-RuCl3是迄今为止最有潜力的Kitaev自旋液体候选材料。然而，从实验上判定一种材料为量子自旋液体颇具挑战性。

南京大学温锦生教授与李建新教授、于顺利教授团队合作，在该团队前期系列工作的基础上，首次利用非弹性极化中子散射实验研究了α-RuCl3中的磁激发行为，发现了分数化磁激发存在的重要证据。温锦生教授团队利用气相输运的方法生长出了高质量α-RuCl3单晶，将2g左右单晶定向后进行了非弹性极化中子散射实验。通过极化分析扣除核散射背景后发现，在布里渊区边界M点及中心Γ点均存在纯的磁激发。但是M点附近的自旋波激发在奈尔温度TN以上完全消失。另一方面，Γ点处出现了量子自旋液体的重要特征——连续谱激发。更为重要的是，与M点附近的磁激发在TN处消失的行为不同，Γ点的连续谱激发在TN以上仍然存在。李建新教授、于顺利教授团队开展了理论研究，利用集团微扰论计算了材料中的动力学自旋关联函数，发现以各向异性铁磁Kitaev相互作用项K与非对角项Γ为主导的K-Γ模型不仅能有效地描述M点附近的自旋波激发谱，还能得到Γ点附近的非自旋波连续谱激发。以上结果不仅提供了布里渊区中心附近存在源自于Kitaev量子自旋液体态的分数化激发的证据，更进一步支持了K-Γ模型能够有效地描述α-RuCl3。

该工作从实验与理论的双重角度为α-RuCl3中分数化激发的存在提供了新的有力证据，说明了Kitaev模型在真实材料体系中的适用性，为进一步发现Kitaev量子自旋液体材料提供了启示。