💡这项突破是什么?
研究团队生长了Na3Ni2BiO6的高质量、大尺寸单晶，并通过磁性测量与中子散射实验对单晶进行了综合全面的实验研究，如图1a所示，通过磁性测量，在2 K的磁化(M-H)曲线中出现一个清晰的1/3磁化平台，即在外加磁场为5.2 T-7.4 T之间，磁化强度被固定在饱和值的1/3处。为了阐明该1/3磁化平台出现的微观机制，研究团队进一步对这些单晶进行了弹性中子散射实验，得到了在零场及平台相时单晶平面上的磁布拉格峰图谱，并进行了理论模拟。如图1c,e所示，通过比较实验结果与计算出的可能自旋态的磁结构因子，研究团队提出1/3磁化平台相的微观磁构型为零-上-零-下-上-上(○↑○↓↑↑)亚铁磁态(如图1f)，这种态是从零场下的锯齿状磁序(如图1d)通过部分自旋翻转过程所形成。在这个过程中，磁元胞扩大为六个格点且其中两个格点上的自旋翻转到蜂窝平面上。基于这些结果，团队建立了Na3Ni2BiO6完整的磁相图[如图1b所示]。
图1. a, Na3Ni2BiO6的磁化曲线；b, 磁相图；c 和 e分别为零场和平台相的弹性散射磁结构因子（上半部分为中子实验结果，下半部分为计算结果）；d和f为磁结构示意图。
图2. 通过张量网络计算得到自旋-1 Na3Ni2BiO6J1-J3-K-D模型的磁化曲线。
考虑到具有蜂窝晶格的Na3Ni2BiO6不具有传统意义上的几何阻挫，为了进一步阐明材料中阻挫的来源，研究团队利用密度泛函理论和张量网络计算方法对材料进行了详细的理论研究。结果表明，具有海森堡交换耦合J、键各向异性Kitaev相互作用K和单离子各向异性D的最小模型可以解释所有的实验观测结果,尤其是1/3磁化平台现象[图2]。如图2内插图所示，Kitaev相互作用可以显著地降低1/3平台相的能量，因此起到了选择并稳定该平台相的作用，对于该相的形成具有关键作用。该结果为确认在这种材料中存在Kitaev相互作用提供了有力的实验依据。
该成果以 “A 1/3 Magnetization Plateau Phase as Evidence for the Kitaev Interaction in a Honeycomb-Lattice Antiferromagnet” 为题于2023年9月25日发表于《自然物理》(Nature Physics, https://doi.org/10.1038/s41567-023-02212-2)。南京大学物理学院温锦生课题组的博士生上官艳艳和博士后鲍嵩、南京理工大学的董召阳副教授以及中国科学院理论物理研究所李伟课题组的博士后西宁为论文的共同第一作者，温锦生教授、李建新教授、于顺利教授和李伟研究员为共同通讯作者。实验研究由温锦生课题组完成，理论研究由李建新和于顺利课题组以及董召阳副教授、李伟、闫清波等团队负责完成。其中，中子散射实验工作在澳大利亚核科学和技术组织的PELICAN谱仪、日本质子加速器研究中心的AMATERAS谱仪以及中国散裂中子源的GPPD谱仪上完成。宋凤麒教授课题组在磁化测量方面提供了支持。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、固体微结构物理国家重点实验室以及人工微结构协同创新(2011)中心的支持。
