意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心陳鋼教授在阻挫量子材料取得重要進展。他提出在雙層的三角晶格鈷氧化物實現了層展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理以及Kugel-Khomskii物理。9月25日👩‍🦳，相關成果以“Emergent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless and Kugel-Khomskii physics in the triangular lattice bilayer colbaltate”（《雙層三角晶格鈷氧化物的層展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless和Kugel-Khomskii物理》）為題，在線發表於Physical Review Letters（《物理學評論快報》）上。

類似於4d/5d的氧化物🪺，鈷基的材料有時候也體現出較強的自旋軌道耦合。基於這個原因，一些honeycomb結構的鈷基材料近年來也被提出是Kitaev材料的候選。其實，更早的時候👁‍🗨，鈷基的準一維體系CoNb₂O₆以及BaCo₂V₂O₈等系統被證實實現了量子伊辛臨界（Quantum Ising criticality）以及相應的具有E8對稱結構的激發等重要物理，其中系統主導的伊辛相互作用本質上也是起源於自旋軌道耦合誘導的有效自旋作用的各項異性。

雖然從對稱性而言，只要有三重轉動對稱性📥，Co基的莫特材料就會允許Kitaev相互作用的存在，然而在實際材料中，最近的研究表明，Co基中起主導作用的是XXZ模型。在這個工作關註的Co基的雙層三角體系中🧗🏼‍♂️，實驗中出現的磁化平臺也直接驗證了XXZ模型的主導性。文章作者提出了一個復雜的延展XXZ模型，通過幾個有趣的觀察，重新定義了希爾伯空間，引入了兩套有效自旋。在中低能🙇🏿，這個復雜的XXZ模型驚人地簡化為一個單層三角晶格的反鐵磁的量子伊辛模型。作者利用已知的嚴格結果，指出其中的層展的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理以及低溫通過quantum order-by-disorder誘導的量子單態反鐵磁（quantum singlet antiferromagnet）。作者把兩套有效自旋同時引入後🙋🏿，系統的完整模型演變為一個由另一組伊辛自旋進行修飾的量子伊辛模型💁🏻‍♂️，或者也可以看成是一個層展的Kugel-Khomskii模型。這是一個沒有軌道的Kugel-Khomskii模型👩🏽‍⚖️，完全是層展而來的。作者基於對基態的完全認識🪝，通過完整的模型計算出系統整體的激發譜🦩。

該工作對各向異性磁體以及multiflavor莫特絕緣體的建模以及理解提供了思路，拓展了該領域的研究角度🍄。審稿人評價“這項工作非常妙，因為幾個看似無關的物理是通過對希爾伯特空間的巧妙組織而聯系起來，以至於為無比復雜的模型提供了洞察力”🏌🏻，並認為“這種方法可以為復雜的幾何阻挫磁體提供更多的洞察力”🪠。

陳鋼為文章的通訊作者，也是唯一作者。

相關文獻🧎‍➡️：

J. M. Kosterlitz (2017) “Nobel Lecture: Topological defects and phase transitions”, Rev. Mod. Phys. 89, 040501.

K. I. Kugel and D. I. Khomskii (1982). "The Jahn-Teller effect and magnetism: transition metal compounds", Soviet Physics Uspekhi. 25 (4): 231.

Gang Chen and Congjun Wu (2024). “Multiflavor Mott insulators in quantum materials and ultracold atoms”, NPJ Quantum Materials, 9, 1.

Gang Chen (2024). “Emergent Berezinskii-Kosterlitz-Thouless and Kugel-Khomskii physics in the triangular lattice bilayer colbaltate”, Phys. Rev. Lett. 133, 136703