Kagome量子自旋液体候选材料在多尺度下的位点特异性结构

在真实材料中实现量子自旋液体（QSL）基态是凝聚态物理研究的前沿问题。在此过程中，充分表征缺陷的结构与影响至关重要，因为它们会显著影响到脆弱的QSL物理。在此，我们运用多种前沿同步辐射X射线散射与谱学技术，并推进了位点特异性衍射与L边Zn吸收谱的新方法。实验结果结合我们的第一性原理计算，解决了关于两种领先kagome QSL候选材料——Zn取代的barlowite Cu$_3$Zn$_{x}$Cu$_{1-x}$(OH)$_6$FBr与herbertsmithite Cu$_3$Zn(OH)$_6$Cl$_2$的局域与长程结构的悬而未决问题。在所有探测的长度尺度上，均无证据表明Zn取代到kagome层上，从而保护了kagome晶格的QSL物理。我们的计算表明，反位无序在能量上不利，且在Zn-barlowite中比在herbertsmithite中更不利。对Zn-barlowite的位点特异性X射线衍射测量揭示，Cu$^{2+}$与Zn$^{2+}$选择性占据不同的层间位点，与herbertsmithite相反。利用首次测量的Zn L边非弹性X射线吸收谱结合计算，我们发现了从伪八面体（herbertsmithite）到三角棱柱配位（Zn-barlowite）反演对称性的丧失与新峰出现之间的系统性关联。总体而言，我们的测量表明，Zn-barlowite相比herbertsmithite具有结构优势，使其磁性质更接近理想QSL候选：其kagome层对非磁性缺陷高度抵抗，而层间可容纳更高量的Zn取代。