kagome 反铁磁体中拓扑序的证据

Z2 量子自旋液体承载着最简单的拓扑序之一，并因长程量子纠缠而展现出许多奇异性质。其基本激发是任意子，例如携带分数化自旋量子数的自旋子和携带涌现 Z2 规范通量的 vison。然而，对这些任意子的实验探测仍然难以实现。困难不仅在于 Z2 量子自旋液体的候选材料很少，还在于 vison 是磁惰性的，因此对现有的实验技术不敏感。在此，我们研究了 kagome 晶格反铁磁体 Cu$_4$(OH)$_6$FBr 和 Cu$_3$Zn(OH)$_6$FBr 的自旋激发和比热，这两种材料由二维 Cu$^{2+}$ kagome 层构成，层间为 Cu$^{2+}$ 或 Zn$^{2+}$ 离子。通过结合第一性原理计算和前者的非弹性中子散射数据，我们表明 Cu$_4$(OH)$_6$FBr 中的主导耦合是 kagome 平面内最近邻自旋之间的耦合，并且 kagome 和层间自旋系统在反铁磁转变温度以上基本上是解耦的。因此，通过去除残余层间 Cu$^{2+}$ 磁性杂质的贡献，我们推导出了 Cu$_3$Zn(OH)$_6$FBr 中 kagome 层的本征自旋激发和比热。相应地，该 kagome 自旋系统展现出具有动量依赖自旋能隙的自旋连续谱，以及在低温下对磁场不敏感的大磁熵，这可以理解为该 kagome 量子自旋液体候选材料中自旋子和 vison 的证据。我们的结果表明了该材料中 Z2 任意子的存在，从而为 kagome 量子自旋液体中的 Z2 拓扑序提供了一套全面的证据，并将它们精心编排的纠缠之舞带到了真实材料的舞台上。