固体中磁量子效应的新见解

利用一种新的计算方法，国际合作首次成功地系统地研究了著名的三维焦绿石-海森堡模型中的磁量子效应。令人惊讶的发现：物理量子相的形成只是为了小的自旋值。

图片说明：模型是指立方晶体结构（焦绿石晶格）。不仅包括最近邻之间的磁相互作用，也包括与下一个最近邻之间的磁相互作用（见图）。

晶体中的原子和分子排列成规则的三维晶格。原子通过各种力相互作用，最终达到最低能量状态。在接近绝对零度时，晶格振荡会冻结，因此电子自旋之间的相互作用占主导地位。一个特别有趣的例子是，当旋转不能同时对齐以达到最低能量的状态时。这导致了一个受挫的系统，其中自旋几乎完全无序，因此被称为自旋液体。

立方晶体结构

研究三维受挫量子磁体的主要模型之一是热绿石晶格上的海森堡模型——一种简单的立方晶体结构（见图）。然而，到目前为止，从这一理论模型中得出实际预测（即特定材料和温度）是非常困难的。

不同的旋转值

来自德国、日本、加拿大和印度的研究小组现在借助一种新的理论方法对该模型进行了系统的研究，并解决了其中的一些困难。用这种新方法可以改变晶格原子的自旋值以及温度和其他相互作用参数，并计算出产生新的磁量子效应的参数范围。计算在慕尼黑的莱布尼兹超级计算中心进行。

仅对小自旋的量子效应

“我们能够证明量子物理效应只发生在非常有限的参数范围内”，来自HZB的理论物理学家JohannesReuther教授解释说，他是这项研究的合著者。这些量子效应在最小的自旋（自旋值½）下最为明显。然而，研究小组所研究的晶体结构中的自旋系统在自旋值为1.5或更高的情况下几乎完全表现为经典物理系统。

发表的工作加深了我们对固体的理解，并有助于在量子材料中搜索三维自旋流体的系统性进展。