姚道新教授团队在量子自旋链的基态和磁激发方面取得重要进展
近日，我院的姚道新教授团队在一种新型量子四聚体自旋链的基态与磁激发方面取得重要进展，系统研究了其能级、对称性、量子相变以及由新奇磁激发主导的多磁激发动力学，获得了清晰的量子基态相图、中子散射能谱（INS）和共振非弹性X光散射能谱（RIXS）等重要成果。2026年4月29日，该研究成果以“Spin order and spin excitation spectra of spin-1/2 tetramer chains”为题，由中山大学作为第一单位发表在NPJ Quantum Materials期刊上。
量子多聚体自旋链是量子多体物理领域极具研究价值的理想平台，其量子基态性质与磁激发行为，同多聚体单元内自旋数目的奇偶性存在密切关联。
此前，该团队在量子三聚体自旋链中成功揭示了双重子（Doublon）和四重子（Quarton）等复合准粒子[NPJ Quantum Materials 7, 3 (2022)]，并在此基础上厘清了磁场诱导的1/3磁化平台与量子临界行为[NPJ Quantum Materials 9, 96 (2024)]。有关理论工作被国际联合团队在量子磁性材料Na2Cu3Ge4O12 中通过中子散射实验所证实。
近期，姚道新教授团队研究了更复杂的量子四聚体自旋链（S=1/2），发现了其中由对称性保护拓扑序（SPT）所孕育的奇异量子态与高能集体激发。
图1：(a) 弦序参量(String order)的相图：I为四聚体相，II为Haldane相，III为自旋子禁闭态。(b)-(c) 弦序参量及其一阶偏导。(e) 不同基态的示意图。
结合量子重整化群与微扰理论，姚道新教授团队发展了密度矩阵重整化群（DMRG）结合Krylov空间校正向量（CV）的高效方法，精准计算了量子四聚体自旋链（S=1/2）的基态相图和磁激发能谱。通过调制弦序参数(String order)，他们发现系统在“平凡四聚体相”与“SPT-Haldane相”之间存在新奇的量子相变：两相边界对应一个“退禁闭量子临界点（DQCP）”。在这一无能隙的量子临界态中，体系出现退禁闭的自旋子（Spinon）态，展现出鲜明的分数激发特征。
而在有能隙的平凡四聚体相和Haldane相内，磁激发则由高能的集体模式主导。
图2：磁激发能谱：（a） 四聚体相，（b）、（d）、（e）Haldane相，（c）、（f） 退禁闭量子临界点。
该理论工作发现量子四聚体自旋链可承载极为丰富的单粒子激发，包括自旋子、三重子（Triplon）和五重子（Quinton）等，这些磁激发模式均可在中子散射能谱和RIXS能谱（L边）中产生清晰的信号。其中，双磁激发过程，包括双三重子、三重子五重子以及双自旋子的组合激发，可以通过RIXS（K边）进行直接探测。
这是国际上首次将基于DMRG的RIXS光谱计算直接应用于解析准一维材料中的SPT相，为多磁激发提供了全新的研究视角。
图3：(a)-(b) 弦序参量及其偏导。(c)和(e) 分别为L边RIXS谱和K边RIXS谱。(d)和(f)为对应的态密度谱。(g) 两种新奇磁激发的示意图
在材料预言方面，姚道新教授团队通过理论分析指出量子磁体CuInVO₅可能是一类理想的Haldane相材料。针对CuInVO₅的DMRG模拟不仅发现其Haldane相基态，更进一步预言其RIXS光谱可能具有三重子和五重子集体激发信号。这标志着有可能通过X射线散射技术在具有SPT相的候选材料中识别出新的集体激发模式，为拓扑物态的实验研究提供了新的思路。
他们的研究表明，中子散射实验和RIXS不仅能够追踪量子磁性材料中有能隙的高能磁激发，还能在量子临界区捕捉到无能隙的低能磁激发，为辨识不同量子相提供了清晰的谱学判据。相关理论研究为理解量子磁体中的多磁激发与拓扑序关联提供了重要的物理图像。
该研究成果以中山大学为第一单位在2026年4月29日正式发表于NPJ Quantum Materials。中山大学物理学院博士后李君励为论文第一作者，大湾区大学的程俊青助理教授为第二作者，姚道新教授与Trinanjian Datta为该论文的共同通讯作者。研究工作依托中山大学物理学院公共科研平台、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心、光电材料与技术国家重点实验室、高等学术研究中心，以及国家超级计算广州中心开展。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才、广东省磁电物理研究中心、广东省量子科学战略计划的支持。
