近日，大湾区大学（筹）物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur，博士研究生Yi Xu、Shuyi Li，以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作，通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。研究发现，由于阻挫和高磁场的共同作用，体系出现了新的非BEC普适类相变和玻色量子液体态。该结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。
相关成果以“Field-Induced Non-BEC Transitions in Frustrated Magnets”为题，发表于学术期刊Physical Review Letters。龚寿书得到了国家自然基金委面上项目（No. 11874078）和重点项目（No. 11834014）的资助，也得到了东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的支持。
相互作用玻色子体系可以实现很多有趣的物态，如玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)，超流，莫特绝缘相等。在合适条件下，由于玻色子相互作用和较大低能态密度的共同作用，玻色子体系还可以形成所谓的玻色金属态。除了玻色子体系，阻挫磁性材料体系也是实现玻色物态的重要平台。一般情况，阻挫磁性体系很难进行近似可控的理论计算，但是在磁场诱导的极化相变附近，量子涨落会被明显抑制。在这种情况下，磁性体系可以表示为稀疏的相互作用玻色气体。近年来，人们已经发现了阻挫磁性体系在外磁场作用下出现的一些新奇玻色物态。另一方面，磁性体系在外磁场作用下从磁有序相到极化相的相变一般是属于BEC普适类的连续相变，在很多磁性材料中都得到了实验证实。一个有趣的问题是：对于这样一个广泛存在的相变，如果考虑体系存在很强的阻挫，会不会得到新的新奇物态和相变行为呢？
研究上述问题最经典的磁性体系是具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型。从反铁磁相出发，竞争相互作用会诱导相变。在经典近似下，体系会经过一个Lifshitz相变进入螺旋磁有序相。在量子模型中，经典体系的Lifshitz相变线附近由于很强的阻挫效应会出现磁无序的自旋液体相和共价键固体相。所以，在Lifshitz相变线上研究高磁场下的物态和相变行为是回答上述问题一个很好的尝试。
为了研究这个体系，物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur，博士研究生Yi Xu、Shuyi Li，以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作，通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。他们发现在Lifshitz点附近，极化磁场附近的物理不同于通常的BEC范式，而是被Lifshitz multicritical point决定，出现新的非BEC普适类相变。同时，由于阻挫和高磁场的共同作用，体系在极化磁场以下可能出现玻色量子液体态。计算表明，该玻色液体态可以看成是S=1自旋链在高磁场中的无能隙相在二维体系中的对应。研究的结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。
具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在半经典近似下的相图。通过调节竞争相互作用和磁场，可以得到一个Lifshitz multicritical point（如图中红点所示）。在有限温度下，multicritical point控制了体系在临界圆锥（橘色圆锥）内的物理行为。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066701
