南科大吴留锁、梅佳伟与合作团队实现双磁振子束缚态玻色-爱因斯坦凝聚的直接观测

2025年02月24日科研新闻

近日，南方科技大学物理系副教授吴留锁团队、副教授梅佳伟团队联合浙江大学物理学院关联物质研究中心研究员汪臻涛、中国人民大学物理学院教授于伟强、澳大利亚核子科学与技术组织（ANSTO）教授于德洪等国内外学者，在二维三角自旋阻挫量子磁性材料钠钡镍磷酸盐（Na₂BaNi(PO₄)₂）中取得了重要突破，直接观测到双磁振子束缚态的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。相关研究成果以“Bose-Einstein condensation of a two-magnon bound state in a spin-one triangular lattice”为题，发表在学术期刊《自然-材料》（Nature Materials）上。

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与费米子类似，量子材料中自旋的集体激发—自旋波（磁振子）作为玻色子，也可以在温度、磁场等调控手段下发生凝聚相变而产生全新的物态。理论上，双磁振子（two-magnon bound state）配对后，作为一类全新的玻色子集体激发，在量子材料中会与常规的单磁振子共存，并在特定条件下比单磁振子更早地发生凝聚相变，从而产生自旋向列序这一类“隐藏序”。然而，无论是双磁振子凝聚相变，还是自旋向列序，迄今没有直接的实验证据发现它们存在于已知凝聚态体系中。

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三角晶格自旋S=1模型的单磁振子及双磁振子束缚态、连续谱的能级计算结果及实验比较。非弹性中子散射、电子自旋共振及核磁共振实验测量得到的单磁振子与双磁振子束缚态激发能量和理论计算结果完美吻合，并且实验和理论计算均表明双磁振子束缚态能量优先在量子临界点凝聚。

在这项研究中，研究人员选取具有整数自旋（S=1）的三角晶格反铁磁材料Na₂BaNi(PO₄)₂，通过精确调控磁场，使系统中的多磁振子能级发生特定变化。在此基础上，结合浙江大学汪臻涛课题组的理论模型，通过中子散射、电子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）等实验，研究团队最终确认了配对磁振子的能量低于两个自由磁振子的能量。进一步通过磁场调控，实现了双磁振子束缚态在临界磁场下的优先凝聚，预示着玻色子配对的自旋向列序在饱和磁场下的存在。这一发现为探索新型量子态和复杂相变机制提供了全新的视角。

这一成果的取得，得益于团队成员近年来对低维自旋量子磁性材料体系的系统性研究。此前，该团队在自旋1/2的二维自旋阻挫材料中研究了磁场调控下的磁振子激发，首次揭示了单个磁振子凝聚的二维量子临界标度律行为。此外，通过高场极化铁磁态的非弹性中子散射测量，成功确定了系统的自旋哈密顿量，并对低场磁有序态中的自旋连续激发谱进行了深入的理论与实验分析。这些研究成果相继发表在PNAS、The Innovation等知名期刊上。这一系列发现不仅深化了对磁性材料的基本理解，还为量子相变与新型量子物质的研究提供了重要启示。

本论文的第一作者为盛洁明博士，现任大湾区大学物质科学学院助理教授。吴留锁、梅佳伟、于伟强、于德洪、汪臻涛为论文的共同通讯作者，南方科技大学物理系为论文的第一单位。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

此外，相关研究得到了国内外合作者的大力支持。其中，深圳国际量子研究院王乐副研究员为该研究提供了高质量的单晶样品，极大地推动了实验的顺利进行。中子散射实验得益于澳大利亚核子科学与技术组织（ANSTO）及美国橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）谱仪科学家提供的支持；华中科技大学脉冲强磁场中心的欧阳钟文教授，以及合肥稳态强磁场中心的童伟研究员、马龙副研究员、张志涛副研究员为低温强磁场下的电子自旋共振（ESR）实验提供了重要数据；于伟强教授开展的极低温核磁共振（NMR）实验进一步验证了研究结果的可靠性；浙江大学汪玲研究员团队通过密度矩阵重整化定量研究了微观模型在磁场下的相图，为理解该体系的微观机制提供了重要理论支撑。