三维量子自旋液体候选材料 Sr$_3$CuNb$_2$O$_9$ 中随机自旋偶极子态的证据

无序在任何量子多体系统中都是普遍存在的，通常被视为复杂系统物理本质阐明的障碍，但其存在常常会引入无法在洁净系统中一般实现的新型物相。我们在此报告对高度无序的 Sr$_3$CuNb$_2$O$_9$ 材料进行详尽的实验与理论研究，该材料表现为 Cu 与 Nb 之间的随机掺杂。磁矩（Cu$^{2+}$）以准立方（三维）方式排列，导致高度误差，其鲁伦韦伯温度（$\theta_{CW}$）约为 -60 K，却在降至 466 mK 仍无长程磁有序。这些观察结果表明 Sr$_3$CuNb$_2$O$_9$ 可能是一种量子自旋液体候选物。更有趣的是，磁化率（$\chi = M/\mu_0H$）和 $C_m/T$（$C_m$ 为磁热容）随温度下降遵循幂律行为。此外，$M(T,\mu_0H)$ 和 $C_m(T,\mu_0H)/T$ 在宽广的温度和场范围内显示尺度关系。这种对量子自旋液体（QSL）常规行为的异常表现可在定性上讨论为无序诱导的随机自旋偶极子态（RSS）与 QSL 态的共存。通过考虑幂律概率分布 $P(J) \propto J^{-\gamma}$（$J$ 为交换相互作用）的随机自旋偶极子，给出了定量描述。数值计算提取的参数与实验数据高度吻合。进一步，解析结果也与 $\chi$ 和 $C_m(T,\mu_0H)/T$ 的整体幂律与尺度行为一致。因此，我们的综合实验与理论分析为三维晶格中 RSS 态的稳定提供了证据。