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清華大學在高自旋姚-李模型研究中取得重要突破
2024年12月07日 16:41:58
來源：化工儀器網 點擊量：4880
這一研究成果不僅為探索新奇拓撲物態提供了新的方向，還有望推動拓撲量子計算及新型材料設計領域的發展。
【化工儀器網 項目成果】近日，清華大學高等研究院姚宏研究組在量子物理領域取得了重要進展，他們首次提出了高自旋的姚-李模型(Yao-Lee model)，并詳細闡述了該模型的基態是一種新奇的量子自旋軌道液體(quantum spin-orbital liquid)。這一研究成果不僅為探索新奇拓撲物態提供了新的方向，還有望推動拓撲量子計算及新型材料設計領域的發展。
量子自旋軌道液體是一類具有長程量子糾纏的新奇量子物態，因其豐富而獨特的物理性質，如拓撲序、任意子激發、去禁閉的分數化激發等，在過去幾十年間引起了不同領域物理學家的廣泛關注和深入研究。然而，與傳統的自發對稱性破缺相不同，量子自旋軌道液體的實現通常要求量子體系滿足更為嚴苛的條件，如足夠強的自旋或軌道阻挫，這使得在材料預測和實驗驗證中確定量子自旋軌道液體具有挑戰性。此外，目前理論上已知能夠實現這種量子物態的二維微觀晶格模型仍然非常稀少。
姚宏研究組在研究中將自旋1/2的姚-李模型推廣到高自旋，并證明其基態具有非平庸的拓撲序。自旋S=1/2的姚-李模型由姚宏教授和加州大學伯克利分校的李東海教授于2011年提出，在先前研究中被發現具有嚴格可解性，其拓撲激發可具有自旋對稱性保護的多重馬約拉納零能模。然而，高自旋的姚-李模型的基態目前尚不能被嚴格求解，姚宏研究組通過分析高自旋的姚-李模型的嚴格的規范結構，證明其基態必定為拓撲非平庸的量子自旋軌道液體。
更進一步，研究通過可控的理論分析，論證了這些高自旋模型可實現無能隙甚至非阿貝爾的量子自旋軌道液體相，并構造了嚴格的去禁閉非阿貝爾自旋分數化激發。這一發現有望為拓撲量子計算提供新的前景。
這一研究得到了國家自然科學基金委員會理論物理專項、科技部重點研發項目、新基石科學基金會“科學探索獎”、清華大學水木學者計劃等的資助。姚宏研究組的研究成果不僅為量子物理領域帶來了新的突破，也為未來拓撲量子計算和新型材料設計領域的發展提供了新的思路和方向。
相關研究成果以Exact Deconfined Gauge Structures in the Higher-Spin Yao-Lee Model: A Quantum Spin-Orbital Liquid with Spin Fractionalization and Non-Abelian Anyons為題，于近日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。清華大學高等研究院博士后武爭志(現為牛津大學博士后)和2018級博士生張景云為論文共同第一作者，教授姚宏為論文通訊作者。
來源：清華大學
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