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針對自旋流--新穎量子材料靈敏探針的研究

北京大學量子材料科學中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領(lǐng)域的前沿進展。自旋電子學起源于巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在當時而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學的蓬勃發(fā)展，與相關(guān)研究的不斷深入，新的自旋流現(xiàn)象與機制不斷被拓展，相關(guān)研究證明一系列的粒子或者準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、超導體中自旋三重態(tài)和準粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導態(tài)等。尤其是對于量子材料而言，由于其往往具有獨特的自旋性質(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)的拓撲性，自旋軌道耦合，對稱性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導體，拓撲絕緣體，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)，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓撲絕緣體當中的自旋-動量鎖定等。因為量子材料的自旋屬性在下一代的量子信息存儲和量子計算科學當中的應(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)展一種易于實現(xiàn)和操控的高效工具顯得尤為迫切與關(guān)鍵。幸運的是，在實驗物理學家和理論物理學家的不懈努力下，成功的證實了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發(fā)和探測自旋流的方法被提出并得以實現(xiàn)，從而證實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)實驗已經(jīng)證實自旋流能夠以超導體系中的自旋三重態(tài)庫珀對和超導準粒子、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。第一類是超導材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋三重態(tài)的存在以及自旋動力學的演化過程。第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程。第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當中的集體激發(fā)行為。第四類是雜化量子激發(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）為載體進行傳播。第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數(shù)為1的玻色子為載體進行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。這些重要的研究進展已經(jīng)充分證實了基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大的推動新穎量子材料的發(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)，超導體中的自旋動力學和鐵磁與超導界面的超導能隙，自旋三重態(tài)超導體中的超導對稱性，強耦合自旋系統(tǒng)中的雜化激發(fā)，拓撲磁振子材料，量子自旋液體中的自旋子，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)域的進展還將推動自旋成像技術(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)對量子材料體系中自旋流的原位探測。

北京大學 2021-04-11

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