强自旋轨道耦合磁性系统中的量子自旋液态和分数化激发的研究

In this project, we will study the various quantum spin states and the corresponding fractionalized excitations in strongly correlated many-body systems together with strong spin-orbital interactions that have attracted considerable attentions in the community of condensed matter physics. We will combine the first-principle calculations and the strongly-coupling theory to obtain the effective spin-exchange models in order to describe the magnetic properties of related realistic materials. We then study the possible quantum-spin-liquid states and the fractionalized excitations using the numerical and analytic methods. We expect to reveal the effects of the fractionalized excitations on the physical properties of the realistic materials, and provide the theoretical basis for searching the new quantum spin liquid in the materials. We will also extend the quantum-spin-liquid theory of the SU(2) systems to the SU(n) systems, and study their classifications. We hope to find some new possible quantum-spin-liquid states and exotic fractionalized excitations, which will provide a theoretical reference for looking for new quantum states in the future experiments.

本项目将以当前凝聚态物理中广泛关注的具有强自旋轨道耦合的关联多体系统为研究对象，研究其中可能实现的各种自旋量子态，以及与量子自旋液态相关的分数化激发的性质。我们将结合第一性原理计算和强耦合微扰理论导出描写实际材料磁性性质的低能有效模型，利用处理强关联的数值和解析方法研究其中可能的量子自旋液态以及其分数化激发的性质，揭示各种分数化激发在决定材料物性方面的作用，为实验上寻找新的量子自旋液态提供理论依据。我们将推广SU(2)自旋液体理论到SU(n)自旋系统，研究其中自旋液态的分类方法，以及相应的奇异分数化激发模式，为在相关实验中寻找新物态提供理论参考。

按照项目研究计划，我们针对近期引起广泛关注的具有强自旋轨道耦合的关联多体系统，研究了其中可能实现的自旋液体等各种新颖自旋量子态，以及与这些奇异物态相关的自旋动力学性质。.阐明了量子自旋液体候选材料中无序效应可以诱导类似自旋液体中分数化激发导致的连续谱行为，为实验判断量子自旋液体提供了重要的启示；引入自旋纠缠熵定量确定量子磁体中分数化自旋子禁闭退禁闭性质，运用于反铁磁体高能反常激发谱中分数化自旋子与磁振子的定量区分以及石墨烯铁磁边缘态上分数化自旋激发的确定；发展自旋激发谱的计算方法并揭示J1-J2模型中自旋子激发的退禁闭，拓展SU(N)自旋波理论在自旋轨道莫特绝缘体中的应用；揭示三角晶格J-K-Г模型的完整量子相图，发现了十种不同类型的量子相并详细分析了这些量子相的特征和相变机制，为三角晶格材料的量子磁性研究提供了重要的理论依据；率先在巡游铁磁系统中阐明拓扑磁振子的存在，与实验合作在Cu3TeO6中发现三维拓扑磁振子并证实二维铁磁体CrBr3为拓扑磁振子绝缘体；研究了平带拓扑哈伯德模型铁磁基态的自旋激发，给出了陈绝缘体和Z2拓扑绝缘体具有明显不同特征的自旋激发谱，丰富了对强关联效应和拓扑能带结构共同作用系统的认识；与实验合作确定范德瓦尔斯金属铁磁体Fe2.72GeTe2中存在局域磁矩和电子巡游磁性的共存；提出位置相关的哈伯德模型解释了在1T-TaS2表面伴随着长程有序电荷密度波发生的莫特绝缘体-金属态相变。.发表研究论文31篇，包括Physical Review Letters 3篇，Physical Review X 1 篇，Nature Communications 1篇， Science Bulletin 1篇，Physical Review B 17篇, 为国内中文期刊“物理学报”撰写综述文章1篇。发表科普文章1篇。培养了博士生7名，硕士生1名。