此项研究通过对准一维反铁磁材料SrCo2V2O8在强纵向磁场中的中子散射实验，详细揭示了对应于自旋1/2的反铁磁海森堡-伊辛链的各类多体激发，特别是系统中新颖的多磁子弦激发态在布里渊区的谱分布及其磁场依赖行为。实验得到的低能分数激发以及弦激发态的特征能量、散射强度及谱线宽度与精确的代数贝特拟设(algebraic Bethe ansatz)的计算结果达到惊人的吻合。这样的吻合不仅仅只是在低能的区域，更是扩展到了从中能到高能的广阔区域，这既展示了在强关联领域里实验及理论研究间精诚合作的一次罕见成功，同时也显示了量子多体系统所蕴含的极其丰富的物理。考虑到实验材料实际为弱链间耦合的三维量子磁性材料，故系统的可积性质已经破坏，但是来自一维量子可积系统的严格代数贝特拟设解所获得各类多体动力学激发及其谱权重仍然和实验结果高度吻合，这意味着一维可积系统中能被严格理解的各类多体激发可以被有效地推广到超越一维的弱链间耦合情形，从而为严格理解超越一维的量子磁性系统铺就了一个坚实的基础，打开了研究量子多体磁性系统的广阔空间。
图一：a)SrCo2V2O8的晶体结构；b) SrCo2V2O8在沿c轴纵向磁场下的物理相图；c)各相对应的基态的自旋位形示意图。
图二：a、b)对于纵向磁场在6T及9T时非弹性中子自旋散射谱在能量及沿c轴的转移动量上的非弹性散射谱强度投影图；c、d)代数贝特拟设在相应的磁化强度时的自旋动力学谱的理论计算结果，动力学谱强度分布亦投影到了能量及一维动量平面上。由于材料沿c轴的四重周期结构，布里渊区的折叠已经计入理论结果。可以看到，理论结果和实验结果达到高度的吻合。
图三：沿着确定转移动量的代数贝特拟设的解析结果与实验数据的比较。断黑线为不包括弦激发态时的理论结果，实红线为包含了弦激发态时的理论结果，数据点为非弹性中子实验测量数据。实验结果与包含了弦激发态贡献的理论结果无论是在谱峰的位置与宽度还是谱的强度分布上都达到了惊人的吻合。这意味着所测量的材料确实能被一维自旋1/2反铁磁海森堡-伊辛模型所精确描述；也意味着从这一维可积系统得到的各类多体激发态具有很强的鲁棒性，依然能在弱链间耦合的量子磁性系统的动力学过程中起到决定性的作用！
此研究项目执行人为：李政道****吴建达以及德国柏林亥姆霍兹中心Anup K. Bera博士和Bella Lake教授；通讯作者为：李政道****吴建达、Anup K. Bera博士、Bella Lake教授、与不列颠-哥伦比亚大学的杨望博士。
在该合作研究中李政道****吴建达得到了上海人才计划的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41567-020-0835-7
