蓝铜矿石及其微观量子阻错模型的研究进展

王孝群 研究组 供稿 2011-07-12

最近，《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 106, 217201 (2011)】和《物理期刊：凝聚态物理》【J. Phys.: Condens. Matter 23, 164211 (2011)】报道了中国人民大学物理系王孝群研究组与德国哥廷根大学理论物理研究所的Priv. –Doz. Dr. Andreas Honecker等的合作研究成果。他们采用一系列最先进的量子多体数值计算方法来模拟蓝铜矿石的量子磁性，提出了一个低能有效模型——自旋1/2类钻石链，从而自洽地解释了几乎全部的实验结果：低温磁化、非弹性中子散射、核磁共振、磁化率及比热的低温特性。

蓝铜矿石（Cu3(CO3)2(OH)2）是一种十分古老的天然纯蓝颜料（如右图），其绚丽蓝色起因于铜原子3d轨道在平面晶格场内的劈裂。近年来，人们从实验上发现该材料的低温磁化曲线出现了1/3饱和平台，引起了巨大的研究兴趣。从晶体结构来看，蓝铜矿石是由很多平行排列的一维钻石型铜原子链组成，钻石型原子团簇内存在几何阻挫，这种天然的几何阻错导致了非弹性中子散射测得的高磁场色散谱反常（局域化）。

几何阻错磁性系统是一种很难处理的强关联系统，人们试图去获得该复杂材料的微观模型描述时，很难完全地给出实验观测结果的自洽图像：（1）一些研究者认为该材料可以由简单的一维钻石型链描述，然而在耦合常数的符号上难以达成共识；（2）另一些研究者同时考虑到链间耦合，成功地解释了2K的三维磁序转变温度，但无法解释与链垂直方向上的色散局域性。

我系王孝群教授研究组长期从事量子多计算方法的发展和低维强关联体系的前沿研究。他们所发展的转移矩阵重整化群算法，已成功地应用于多种低维磁性材料，解释与预言了一系列的重要新奇量子效应。在本工作中，该组基于Andreas Honecker等人由第一性原理和密度矩阵重整化群的数值计算结果确定的参数，模拟了蓝铜矿的热力学性质：比热、磁化率、热力学熵等；通过在有限温度区域与实验结果的比较，验证了第一性原理计算出的参数的正确性，确认了微观模型的正确性。

在该研究中，他们发现了该材料当磁场略大于30T时，蓝铜矿石具有很强的磁致制冷效应（Magnetocaloric effects），这说明该古老材料是一种很有潜力能源材料。