量子自旋系统中的新奇相变与临界现象

It is an important subject to study quantum spin systems, especially quantum phase transitions and critical phenomena. We will focus on the noval quantum phase transitions and critical phenomena related to quantum disorder, geometrical effect, long range interaction and dimension effect. More specifically, we will study the Bose spin glass phase in the disordered spin systems, explore the quantum phase transition in the checkerboard patterned spin system, simulate the quantum spin chain with long range interaction, find the crossover and scaling laws in the transition from the 1D spin system to 3D spin system. This research will help to find the general laws in quantum phase transitions and critical phenomena, and is closely related to quantum many body physics, magnetic materials, corrlated electron systems and computational physics. The group is very active in quantum magnetism and computational physics, especially in quantum monte carlo, exact diagonalization, spin wave theory and field theory.

对量子自旋系统的研究，特别是新奇相变和临界现象的研究是目前非常活跃的国际前沿。本项目将瞄准其中的重要前沿问题，系统地研究量子无序、几何形状、长程相互作用、维度等导致的新奇物质态和相变规律，发展新的计算方法，解释和预测相关实验。具体的研究内容为：探究无序自旋系统中的玻色玻璃态及调控办法，分析其标度规律；探索棋盘状量子自旋系统的量子相变和一般规律，给出高精度的相变点和临界指数；严格模拟具有长程相互作用的一维量子自旋系统，发现长程相互作用和多自旋相互作用对量子相变的影响；找到一维量子自旋系统转变为三维量子自旋系统的相变规律，研究其低温渐近行为，解释和预测有关实验。本项目将为探索量子相变和临界现象的一般规律提供重要依据,并为量子多体系统、磁性材料、关联电子体系、计算物理等的研究提供重要参考。申请人在量子自旋系统和量子相变领域有长期的积累，在量子蒙特卡洛、精确对角化、自旋波、场论等方面有丰富的经验。

近年来量子自旋系统受到人们越来越多的关注，是理论物理和计算物理的重要前沿。一维量子自旋系统中的强无序效应、二维量子自旋系统中的几何效应、自旋玻璃态、量子相变的普适类等都是富有挑战性的重要物理问题。本项目瞄准量子自旋系统中的重大前沿问题，在一维量子无序自旋系统的研究中，发现了非结晶的价键固体态，其自旋-自旋关联、Dimer-Dimer关联函数遵从幂率加指数修正的形式；在二维量子自旋系统中的无序效应研究中，发现一种新型的不可压缩的玻璃态（莫特玻璃态），其均匀磁化率遵从拉伸的指数规律，其关联长度临界指数违反了经典统计中的Harris定理；我们使用量子蒙特卡洛方法研究了量子自旋系统的几何效应，特别是相互作用在不同的几何排布下所诱导的量子相变的普适类，包括移位式二聚体模式（Staggered dimer pattern）和棋盘模式，发现其相变普适类是O(3)类；我们还发展了多自旋相互作用的强无序重整化群方法，将其与量子蒙特卡洛方法进行了精确比较。这些工作在一维和二维量子无序自旋系统的研究中具有非常重要的学术价值，回答了长期争议的学术问题，探索了新的计算方法，为研究新奇相变与临界现象做出了贡献。本项目在执行期间共发表SCI论文22篇，其中Physical Review Letters 1篇，Physical Review B 8篇（2篇Rapid Communications）, Physical Review A 1篇，Scientific Reports 2篇，EPL 1篇，Physics Letters A 2篇，Frontiers of Physics 封面论文1篇。