中子非弹性散射测量自旋团簇材料中的量子关联

Spin-cluster materials have attracted much interest in condesed matter physics; specific examples of such low demensional systems include spin chains, planes,and intermediate dimensional spin ladders. This is not only because they play an important role in high temperature superconductors, but also they are candidates for the realizition of quantum computing and quantum computers. In this program, the effects of exchange coupling constant, uniaxial anisotropy field and temperature on the behavior of quantum correlations (quantum entanglement and quantum discord) in spin-cluster materials will be studied, in order to achieve the quantum correlations' protection and enhancement. Possible quantum critical phenomenon will be analyzed. Experimentally, inelastic neutron scattering measurements will be performed so as to obtain the spin-wave dipersion relations of the spin-cluster materials. According to the relationship between scattering intensity and spin-spin correlation functions, quantum correlations between any spin pairs can be obtained. This allows one to indirectly measure quantum correlations through neutron scattering experiments. Compared with quantum state tomography and nuclear magnetic resonance, inelastic neutron scattering technology has the great advantage in dealing with large quantum systems.

自旋团簇材料包括自旋链、自旋面，以及中间维度自旋梯等低维体系是当前凝聚态物理学中的一大研究热点，不仅因为它们在高温超导物理学中显得极为重要，还因为它们是实现量子计算和组建量子计算机的候选者，在量子通讯领域有很大的应用价值。本课题主要研究自旋团簇材料中的量子关联（量子纠缠、量子失谐）随交换耦合强度、单轴各向异性场以及温度等物理参数的变化情况。对影响量子关联的关键因素进行调控，以期保持或提高体系中的量子关联，为量子信息处理提供理论依据，并对可能存在的量子临界现象进行分析。在实验方面，建立起中子非弹性散射强度与自旋-自旋关联函数之间的转换关系，设计和开展中子非弹性散射实验，测量自旋团簇材料的自旋波色散关系，进而获得任意自旋对之间的量子关联。这一技术将为实验上探测量子关联提供新的研究手段，与量子层析术和液态核磁共振这两种传统实验方案相比，中子非弹性散射技术在研究体系的量子位数上具有不可比拟的优势。

自旋团簇材料作为实现量子计算和量子计算机的候选材料，是当前凝聚态物理研究的热点之一。本课题首先针对低维度量子体系(广义XY模型)，考察了影响量子态传输的几个关键物理参数，包括各向异性参数，磁场强度，三格点相互作用。我们发现，在强场区域，各向异性参数的影响几乎可以被忽略，在短时间内可以获得非常高的保真度。而在弱场区域，对于较小的各向异性，保真度具有较宽的一个峰，这表明输出较为可靠和稳定，对于态传输来说是有益的。另外，三格点相互作用和磁场强度将会很大程度上影响保真度的振荡。这表明，对于三格点相互作用以及磁场强度的有效调控将可能获得一个稳定的输出。..其次，针对自旋二聚体材料VODPO_4∙0.5D_2O，利用自旋-自旋关联函数，在量子关联与非弹性中子散射实验数据之间建立起联系，为实验上对量子关联进行间接测量提供了新的思路。我们发现，在T=10 K时，所有的量子关联都处于最大值，接近1，纠缠为零的临界温度高达Tc=82.5 K，远远高于核自旋材料。因此，该材料可以用于量子信息处理。此外，量子失谐在室温下仍然存在，表明它是一种更为有效的实现量子信息处理的资源。通过引入自旋轨道相互作用，还可以提高临界温度。..最后，开展了低温下(T=5 K)的CeAuAl3的非弹性中子散射实验，测量了材料中的晶体场激发，观测到很强的磁弹耦合相互作用，并且发现了基态到第一激发态之间的跃迁与声学声子之间的anticrossing现象。