中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SC8研究組博士研究生曾振源和研究員李世亮，聯(lián)合香港大學(xué)教授孟子楊、日本大強度質(zhì)子加速器設(shè)施中心教授Kenji Nakajima等，利用非彈性中子散射技術(shù)測量了具有二維籠目結(jié)構(gòu)的YCu3(OD)6Br2[Br0.33(OD)0.67]中的自旋激發(fā)譜，發(fā)現(xiàn)其低能自旋激發(fā)的形式為狄拉克錐形狀的連續(xù)譜，給出了該體系中存在狄拉克自旋子的譜學(xué)證據(jù)。
有研究表明YCu3(OH)6Br2[Br0.33(OH)0.67]材料是具有研究價值的量子自旋液體候選材料。該材料中具有S=1/2自旋的Cu2+離子構(gòu)成了二維籠目晶格。YCu3的居里外斯溫度約為-80K，表明具有很強的反鐵磁相互作用。直到50mK的低溫下，該體系仍未進入磁有序態(tài)，暗示了量子自旋液體的基態(tài)。該材料的極低溫磁比熱在零場下正比于溫度的平方，而在磁場下則出現(xiàn)了線性項，與狄拉克量子自旋液體相符。為了進一步確定YCu3基態(tài)，該研究采用非彈性中子散射技術(shù)測量了YCu3自旋激發(fā)。這是由于目前缺少對于單自旋子直接測量的手段，而非彈性中子散射可以探測雙自旋子激發(fā)，給出雙自旋子激發(fā)在能量和動量空間中的分布，并可與相關(guān)理論計算結(jié)果進行比較，從而獲得較為可靠的信息。
研究發(fā)現(xiàn)，在低能時該體系的自旋激發(fā)位于布里淵區(qū)的六個對稱點。隨著能量的增加，激發(fā)的范圍逐漸擴大并最終互相連接。如果觀察自旋激發(fā)隨能量的變化，可以清楚看到整體成錐形。隨著溫度的上升，這些低能激發(fā)在30K時幾乎完全消失。進一步，分析發(fā)現(xiàn)，各個位置低能自旋激發(fā)的相對強度可以由隨機排布的最近鄰自旋單態(tài)的結(jié)構(gòu)因子描述。研究顯示，通過洛倫茲線型對不同能量處自旋激發(fā)擬合，可以獲得其半高寬隨能量的線性關(guān)系，與狄拉克錐型的激發(fā)一致；通過該線性關(guān)系斜率，可以估算出自旋子速度約為1km/s。該工作利用這一自旋子速度并根據(jù)相關(guān)理論計算出的比熱與實驗測量值相符，進一步驗證了狄拉克型自旋子的存在。
近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院等的支持。
