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針對(duì)自旋流--新穎量子材料靈敏探針的研究

北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學(xué)研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國(guó)際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫(xiě)綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領(lǐng)域的前沿進(jìn)展。自旋電子學(xué)起源于巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，與相關(guān)研究的不斷深入，新的自旋流現(xiàn)象與機(jī)制不斷被拓展，相關(guān)研究證明一系列的粒子或者準(zhǔn)粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導(dǎo)體中自旋三重態(tài)和準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導(dǎo)態(tài)等。尤其是對(duì)于量子材料而言，由于其往往具有獨(dú)特的自旋性質(zhì)，基于自旋流探針的研究方法就成為了表征量子材料物性的有效手段。量子材料都是凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿之一，其量子性質(zhì)起源于諸多量子效應(yīng)，包括低維尺寸效應(yīng)，量子限域效應(yīng)，量子相干效應(yīng)，量子阻挫效應(yīng)，能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫裕孕壍礼詈希瑢?duì)稱性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導(dǎo)體，拓?fù)浣^緣體，外爾半金屬，量子自旋液體，自旋超流體等等。量子材料可以表現(xiàn)出諸多與自旋相關(guān)的量子性質(zhì)，如二維過(guò)渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓?fù)浣^緣體當(dāng)中的自旋-動(dòng)量鎖定等。因?yàn)榱孔硬牧系淖孕龑傩栽谙乱淮牧孔有畔⒋鎯?chǔ)和量子計(jì)算科學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用潛力，所以研究量子材料的自旋相關(guān)性質(zhì)得到了廣泛關(guān)注。為了研究量子材料的自旋性質(zhì)，發(fā)展一種易于實(shí)現(xiàn)和操控的高效工具顯得尤為迫切與關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家的不懈努力下，成功的證實(shí)了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測(cè)手段。一系列激發(fā)和探測(cè)自旋流的方法被提出并得以實(shí)現(xiàn)，從而證實(shí)了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。迄今為止，相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)自旋流能夠以超導(dǎo)體系中的自旋三重態(tài)庫(kù)珀對(duì)和超導(dǎo)準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進(jìn)行傳播，相關(guān)物理圖像被總結(jié)在表1中。本篇綜述文章著重介紹了在五類(lèi)主要的量子材料體系中的基于自旋流探針的物性研究。第一類(lèi)是超導(dǎo)材料體系，自旋流探針可以被用來(lái)驗(yàn)證自旋三重態(tài)的存在以及自旋動(dòng)力學(xué)的演化過(guò)程。第二類(lèi)是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來(lái)驗(yàn)證自旋子攜帶的自旋角動(dòng)量的有效傳播過(guò)程。第三類(lèi)是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當(dāng)中的集體激發(fā)行為。第四類(lèi)是雜化量子激發(fā)體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進(jìn)行傳播。第五類(lèi)是自旋超流體系，自旋流以玻色愛(ài)因斯坦凝聚中的自旋量子數(shù)為1的玻色子為載體進(jìn)行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。這些重要的研究進(jìn)展已經(jīng)充分證實(shí)了基于自旋流探針的物性表征對(duì)于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會(huì)極大的推動(dòng)新穎量子材料的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)物理性質(zhì)的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料，量子鐵磁體和反鐵磁體，六角晶格體系中的量子手征聲子，自旋和力耦合的量子系統(tǒng)，超導(dǎo)體中的自旋動(dòng)力學(xué)和鐵磁與超導(dǎo)界面的超導(dǎo)能隙，自旋三重態(tài)超導(dǎo)體中的超導(dǎo)對(duì)稱性，強(qiáng)耦合自旋系統(tǒng)中的雜化激發(fā)，拓?fù)浯耪褡硬牧希孔幼孕后w中的自旋子，自旋超流體約瑟夫森效應(yīng)，以及其他任何作為自旋流載體的量子態(tài)。另外，這一領(lǐng)域的進(jìn)展還將推動(dòng)自旋成像技術(shù)的發(fā)展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術(shù)對(duì)量子材料體系中自旋流的原位探測(cè)。

北京大學(xué) 2021-04-11

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