海森堡模型和Kitaev模型的元激发、激发谱和量子相变

The study of quantum phase transition (QPT) in strongly correlated systems is one of frontiers of condensed matter physics. Although strictly speaking, QPT occurs at zero temperature, its critical region includes large parameter space at non-zero temperature. Understanding the properties of QPT critical region is crucial to reveal underline physics of many experimental phenomena. Changing model parameter induces change of ground state as well as excitation spectrum. Thus, the properties of QPT could be explored by investigating the excitation spectrum with different approaches. In this project, we utilize and further develop a variety of advanced numerical methods, including high-efficiency quantum Monte Carlo simulation, stochastic numerical analytic continuation method and advanced matrix-product state method, combined with neutron scattering experiments, in-depth to study a variety of quantum spin systems and explore the properties of exotic ground states and accompanied QPTs. The main tasks include: the study of quantum phase transitions of the Heisenberg antiferromagnets induced by magnetic field, the study of the properties of excitations and quantum phase transitions of the Kitaev model in the magnetic field, and the study of the possible exotic topological quantum phase transitions of the frustrated quantum spin systems using the excitation spectrum.

对强关联系统量子相变的研究是凝聚态物理研究的前沿之一。虽然严格来说量子相变发生在零温，但是量子临界区域可影响大片的非零温参数区域,所以理解量子临界区域的性质是我们揭示许多实验现象本质的关键。伴随基态随可调参数的转变，系统的低能激发特性也相应地转变，因此利用不同的方法研究低能激发谱可以得到量子相变的性质。本项目应用并发展多种先进的数值计算方法，包括高效量子蒙特卡洛模拟，随机数值解析延拓方法和先进的矩阵乘积态方法，结合中子散射实验，深入研究多种强关联自旋系统，探索系统的奇异基态性质和相关量子相变特性。主要研究内容包括：外场诱导海森堡反铁磁模型的量子相变研究，外场下Kitaev模型的激发性质与量子相变研究以及利用激发谱研究磁阻挫系统的可能的拓扑量子相变。

对强关联系统量子相变的研究是凝聚态物理研究的前沿之一。本项目发展并应用先进的数值方法，结合中子散射实验，深入研究多种强关联体系特别是自旋系统，探索其非平凡基态性质和相关量子相变，尤其是非平凡量子相变特性，取得了以下研究成果：发展了多种强关联自旋系统基态性质与激发谱的新计算方法，特别是随机解析延拓方法，通过研究体系的激发谱特性理解了一些新材料的基态性质，首次证明了二维AKLT系统能隙是存在的；深入研究并得到了反铁磁海森堡体系的丰富基态性质与相变行为；利用激发谱研究了一系列磁阻挫与无序系统的拓扑量子相变及自旋液体态；对Kitaev模型相关拓扑量子相变及Kitaev自旋液体的探测开展了深入研究；对强关联Dirac费米子系统的非平凡基态和相关量子相变进行了深入研究，发现了新的超导特性和实现超导的新机制。截至目前，我们共发表SCI论文88篇，其中包括1篇Nat.Phys.，1篇Nat.Mater.，2篇Nat.Commun.，1篇Phys.Rep.，10篇Phys.Rev.Lett.，4篇Phys.Rev.X，以及33篇Phys.Rev.B(A,E)。项目论文总被引用次数达到707次，其中单篇引用超过20次的论文有8篇。项目组成员在国内外会议上做口头报告(含邀请报告)42次，按计划组织了1次学术会议。在人才培养方面，项目负责人当选中国科学院院士，项目骨干成员中两人获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金支持；项目组共培养了16名相关研究领域的博士，12名硕士生和13名博士后研究员。