王孝群 研究組 供稿?

最近，《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 106, 217201 (2011)】和《物理期刊：凝聚態(tài)物理》【J. Phys.: Condens. Matter 23, 164211 (2011)】報道了中國人民大學(xué)物理系王孝群研究組與德國哥廷根大學(xué)理論物理研究所的Priv. –Doz. Dr. Andreas Honecker等的合作研究成果。他們采用一系列最先進的量子多體數(shù)值計算方法來模擬藍銅礦石的量子磁性，提出了一個低能有效模型——自旋1/2類鉆石鏈，從而自洽地解釋了幾乎全部的實驗結(jié)果：低溫磁化、非彈性中子散射、核磁共振、磁化率及比熱的低溫特性。

藍銅礦石（Cu3(CO3)2(OH)2）是一種十分古老的天然純藍顏料（如右圖），其絢麗藍色起因于銅原子3d軌道在平面晶格場內(nèi)的劈裂。近年來，人們從實驗上發(fā)現(xiàn)該材料的低溫磁化曲線出現(xiàn)了1/3飽和平臺，引起了巨大的研究興趣。從晶體結(jié)構(gòu)來看，藍銅礦石是由很多平行排列的一維鉆石型銅原子鏈組成，鉆石型原子團簇內(nèi)存在幾何阻挫，這種天然的幾何阻錯導(dǎo)致了非彈性中子散射測得的高磁場色散譜反常（局域化）。

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幾何阻錯磁性系統(tǒng)是一種很難處理的強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，人們試圖去獲得該復(fù)雜材料的微觀模型描述時，很難完全地給出實驗觀測結(jié)果的自洽圖像：（1）一些研究者認(rèn)為該材料可以由簡單的一維鉆石型鏈描述，然而在耦合常數(shù)的符號上難以達成共識；（2）另一些研究者同時考慮到鏈間耦合，成功地解釋了2K的三維磁序轉(zhuǎn)變溫度，但無法解釋與鏈垂直方向上的色散局域性。

我系王孝群教授研究組長期從事量子多計算方法的發(fā)展和低維強關(guān)聯(lián)體系的前沿研究。他們所發(fā)展的轉(zhuǎn)移矩陣重整化群算法，已成功地應(yīng)用于多種低維磁性材料，解釋與預(yù)言了一系列的重要新奇量子效應(yīng)。在本工作中，該組基于Andreas Honecker等人由第一性原理和密度矩陣重整化群的數(shù)值計算結(jié)果確定的參數(shù)，模擬了藍銅礦的熱力學(xué)性質(zhì)：比熱、磁化率、熱力學(xué)熵等；通過在有限溫度區(qū)域與實驗結(jié)果的比較，驗證了第一性原理計算出的參數(shù)的正確性，確認(rèn)了微觀模型的正確性。

在該研究中，他們發(fā)現(xiàn)了該材料當(dāng)磁場略大于30T時，藍銅礦石具有很強的磁致制冷效應(yīng)（Magnetocaloric effects），這說明該古老材料是一種很有潛力能源材料。