清华大学在高自旋的姚-李模型研究方面取得重要进展

清华新闻网12月6日电 近日，清华大学高等研究院姚宏研究组首次提出高自旋的姚-李模型（Yao-Lee model）并阐明其基态是一种新奇的量子自旋轨道液体（quantum spin-orbital liquid）。这一重要研究进展为新奇拓扑物态的探索提供了新的方向，并有望推动拓扑量子计算及新型材料设计领域的相关发展。

量子自旋轨道液体是一类具有长程量子纠缠的新奇量子物态。由于其丰富而独特的物理性质，如拓扑序、任意子激发、去禁闭的分数化激发等，以及其与高温超导微观机制和拓扑量子计算的紧密关联，量子自旋液体在过去几十年间引起了不同领域物理学家的广泛关注和深入研究。与传统的自发对称性破缺相不同，量子自旋轨道液体的实现通常要求量子体系满足更为严苛的条件，例如足够强的自旋或轨道阻挫。这使得在材料预测和实验验证中确定量子自旋轨道液体具有挑战性。此外，目前理论上已知能够实现这种量子物态的二维微观晶格模型仍然非常稀少。

该研究中，姚宏研究组将自旋1/2的姚-李模型推广到高自旋并证明其基态具有非平庸的拓扑序。自旋S=1/2的姚-李模型由姚宏教授和加州大学伯克利分校李东海教授于2011年提出，在先前研究中被发现具有严格可解性，其拓扑激发可具有自旋对称性保护的多重马约拉纳零能模。高自旋的姚-李模型的基态目前尚不能被严格求解，姚宏研究组通过分析高自旋的姚-李模型的严格的规范结构，证明其基态必定为拓扑非平庸的量子自旋轨道液体。更进一步，研究通过可控的理论分析，论证了这些高自旋模型可实现无能隙甚至非阿贝尔的量子自旋轨道液体相，并构造了严格的去禁闭非阿贝尔自旋分数化激发，有可应用于拓扑量子计算的前景。

二维蜂窝晶格的姚-李模型及其元激发的示意图

相关研究成果以“高自旋姚-李模型中的精确去定义规范结构：一种具有自旋分馏和非交换任意子的量子自旋轨道液体”（Exact Deconfined Gauge Structures in the Higher-Spin Yao-Lee Model: A Quantum Spin-Orbital Liquid with Spin Fractionalization and Non-AbelianAnyons）为题，12月5日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

清华大学高等研究院博士后武争志（现为牛津大学博士后）和2018级博士生张景云为论文共同第一作者，教授姚宏为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金委员会理论物理专项、科技部重点研发项目、新基石科学基金会“科学探索奖”、清华大学水木学者计划等的资助。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.236504