低维及几何阻挫磁系统的新奇量子态及量子相变的探索研究

低维量子磁性和几何阻挫磁系统表现出与常规磁性体系完全不同的奇异基态和激发态行为，蕴含了丰富的物理过程，对它的研究构成了当前凝聚态基础研究最重要的前沿之一。针对这个量子磁性领域的基础物理问题，本项目拟通过将材料合成、中子散射、拉曼散射、高磁场热力学研究以及常规物性测量等有机结合，并与理论解析和计算模拟紧密配合，选取二维三角晶格La2Ca2MnO7、 Kagome晶格ZnCu3(OH)6Cl2、和三维烧绿石结构等几类低维量子反铁磁和几何阻挫磁性模型体系，对它们的奇异量子基态和激发行为进行系统而深入的研究。这些磁性体系中的新奇宏观量子态和关联激发模式的研究不仅本身在凝聚态物理中就具备基础的物理意义，也必将对非常规超导、强关联电子系统以及多体量子场论等相关学科领域的发展产生重要推动。

项目组成员围绕研究目标取得了一系列有创新性和重要物理意义的成果。在二维三角晶格及类三角晶格Hubbard 系统自旋液体态的相关研究方面，我们给出了honeycomb晶格上Hubbard模型不存在自旋液体相的解析论证，我们的结论目前已经成为讨论四分之一掺杂石墨烯物理的基本出发点之一；我们制备了高质量的kagome阻挫材料，通过对Kagome晶格体系的研究，确定了低能物理行为，通过研究相应的磁性与非磁性杂质效应，确定了自旋液体的本征特性；我们改进了自旋液体基态的量子纠缠及拓扑纠缠熵的算法，完成了对于一个具有量子临界性质和 fractal nodal surface的波函数的纠缠性质的计算，并且证明了该体系的纠缠熵在热力学极限下满足体积定律而非面积定律，我们这一结果已经在第九届国际计算物理大会上进行了报告；在铁基超导体系低维磁性的系列研究方面，我们发现了245体系的新奇磁结构，确定了组分、晶体结构、磁结构、输运性质、超导态的相图，测定了磁激发谱和磁动力学模型，我们的实验结果为铁基超导材料存在磁阻挫的论点提供了支持、为可能的高温超导机理以及磁性对超导的作用提供了实验支持，对铁基材料中的磁性和超导的理论描述做出重要的限制、对于现在铁基超导体配对对称性的研究提供了重要的信息、对铁基超导体的轨道有序和轨道磁性的研究，发现了可观的面内磁各向异性。