姚道新教授研究组与合作者发现量子相变中的新奇标度行为

       中山大学物理学院、光电材料与国家重点实验室的姚道新教授研究组最近在量子多体系统的量子相变研究中取得重要进展，相关成果于2018年9月12日以中山大学为第一单位发表在国际著名物理刊物《Physical Review Letters》。

       量子相变是绝对零度下由量子涨落驱动的相变现象，一个d维的量子系统形式上可以被射到相应的d + 1维经典模型上，可以通过相变临界指数来刻画相变的基本特征，是物理学的重要前沿。对于二维的二聚化量子自旋系统，其相变普适类存在很大的争议：一方面从量子-经典对应理论，其相变普适类与三维经典自旋系统相等，应同属O（3）普适类；另一方面，一些国外研究组通过计算发现某些情况下的关联长度指数不属于O（3）普适类，对量子-经典对应理论提出了挑战。究竟其相变普适类是否属于O（3），引起争议的原因是什么？

       姚道新教授研究组与合作者研究了二维二聚化量子自旋系统，通过调节自旋之间的强弱耦合相互作用（J1和J2），使得系统发生反铁磁态到顺磁态的量子相变。强弱耦合相互作用的分布可以是高对称性的柱状分布（图a，CDM），也可以是对称性较低的交错状分布（图c，SDM），它们对相变的临界指数有显著的影响。 通过高精度的量子蒙特卡洛方法，他们发现在交错状二聚化量子海森堡模型中，相变临界指数具有新奇的非单调尺寸标度行为，与柱状分布的单调尺寸标度行为明显不同（图b）。理论上对于交错状分布，使用自旋单键-三重键算符表象，可以发现其作用量具有非零的三粒子作用项，对相变临界指数起着非关涉场的影响，而柱状分布没有这一特征。他们通过在有限尺寸标度理论中引入两个驱动场，同时进行大尺寸的计算分析，成功的拟合了非单调的量子蒙特卡洛数据，从根源上指出二维二聚化量子自旋系统的相变普适类仍然属于O（3）普适类，适用于量子-经典对应理论。他们的研究表明，在量子相变中可能存在多个驱动场导致的新奇标度行为，需要采用正确的标度理论才会得到正确的结果。在本文研究中，他们还创造性的提出多参数联动-高阶拟合方法，能极大的提高数据准确度，可以用在不同体系的数据分析中。

        该工作由姚道新教授研究组与波士顿大学的A. W. Sandvik教授、北京师范大学的郭文安教授等合作完成，论文第一作者为中山大学博士生马女森，姚道新教授为通讯作者，研究成果发表于2018年9月12日出版的Physical Review Letters 121, 117202 (2018)（DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.117202）。

       姚道新教授研究组近年来在关联电子体系的量子磁性领域中取得一系列科研成果。例如，研究了巡游电子对局域磁的影响(Phys. Rev. Lett. 115, 117001 (2015))，探索了量子自旋系统的虚时演化临界动力学行为(Phys. Rev. B 96, 094304(2017))，给出了新的二维量子-经典混合自旋系统的精确解和相图(Phys. Rev. E 98, 012127 (2018))。

      上述工作得到了光电材料与技术国家重点实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东特支计划百千万工程领军人才项目等的资助。 

      原文论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.117202