偶极-八极烧绿石 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 中存在 U(1)$_\pi$ 量子自旋液体基态的证据

烧绿石磁体 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 中的 Ce$^{3+}$ 赝自旋-$\frac{1}{2}$ 自由度已知具有偶极-八极 (DO) 特性，使其成为低温下新型量子自旋液体 (QSL) 基态的候选者。我们报告了 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 单晶在低温下的新极化中子衍射以及热容 ($C_p$) 测量结果。前者与在典型偶极自旋冰化合物 Ho$_2$Ti$_2$O$_7$ 中测得的结果既有相似之处也有差异，而后者在低温下急剧上升，最初在 0.08 K 附近趋于平稳，随后在超过 3 K 时向高温零值下降。在 $\sim$0.5 K 以上，$C_p$ 数据集可以拟合到量子数值链接团簇 (NLC) 计算的结果，该计算进行到第四阶，允许对这类 DO 烧绿石系统预期的近邻 XYZ 哈密顿量中的项进行估计。将同一理论对磁化率温度依赖性和非极化中子散射的拟合补充了这一分析。所得最佳拟合 NLC 计算与极化中子衍射之间的比较显示出既有吻合也有差异，差异主要表现为非自旋翻转通道中的区域边界漫散射，这归因于近邻之外的相互作用。缺乏观测到的热力学异常以及对近邻 XYZ 哈密顿量的约束表明，Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 在低温下实现了 U(1)$_\pi$ QSL 态，并且该态很可能位于偶极和八极特性之间的边界附近。