Pr$_2$Hf$_2$O$_7$ 中涌现量子电动力学的实验特征

在量子自旋液体中，组成电子自旋的磁矩规避经典长程序，形成一种在宏观长度尺度上量子纠缠且相干的奇异态 [1-2]。此类相为量子信息技术中的器件应用提供了有前景的前景，对其的研究可以揭示量子物质中全新的物理。量子自旋冰是此类态的一个引人注目的提议，其中基本的基态性质和激发由涌现的 U(1) 晶格规范理论描述 [3-7]。这种量子相干体系具有被预测行为类似于磁单极子和电单极子的准粒子，以及扮演人工光子角色的规范玻色子。然而，这种涌现的晶格量子电动力学在实验中一直难以捉摸。在此，我们报告了对稀土烧绿石磁体 Pr$_2$Hf$_2$O$_7$ 的中子散射测量，为量子自旋冰基态提供了证据。我们发现了一个具有 pinch points 的准弹性结构因子——这是经典自旋冰的特征——该特征被部分抑制，正如在有限温度下晶格场论的量子相干区域中所预期的那样。我们的结果允许估算与磁光子激发相关的光速。我们还揭示了一个非弹性自旋激发的连续谱，这与对量子自旋冰的分数化、拓扑激发的预测相似。综合来看，这两个特征表明 Pr$_2$Hf$_2$O$_7$ 的低能物理可以用涌现量子电动力学来描述。如果得到证实，量子自旋冰基态的观测将构成三维量子自旋液体的一个具体实例——这是一种迄今主要在低维度中探索的时兴物质态。