限制在二维平面上的硬核玻色子的插图。图片来源：MPI-FKF

三维 （3D） 反铁磁体是原子或离子的磁矩排列在 3D 晶格结构中的材料，相邻的自旋以相反的方向排列。物理学家在这些材料中观察到了一种迷人的磁场诱导相变，这种相变被描述为磁振玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。

虽然在 2D 系统中不会发生这种转变，但准 2D 系统可能仍会表现出一些 BEC 行为，以及主要是 2D 物理过程。一些研究在一些准二维材料中报告了这种行为，但仅限于在实验室环境中难以接近的非常高的磁场。

马克斯·普朗克固态研究所、斯图加特大学和东京大学的研究人员最近在准二维反铁磁体YbCl中观察到了令人着迷的二维极限BEC行为3在相对较低的磁场下。

他们的论文发表在《自然物理学》上，专门报告了在这种材料中观察到的量子临界玻色气体的磁振子。

“最初，我们正在寻找Kitaev量子自旋液体材料的新候选者，”该论文的合著者Yosuke Matsumoto告诉 Phys.org。“我们在这里研究的材料，YbCl3，是蜂窝晶格上的赝自旋-1/2量子磁体，理论上已经提出了Kitaev量子自旋液体的可能实现。受此启发，我们开始了我们的研究。

“不久之后，他们开始探索 YbCl 的可能性3可能是基塔耶夫量子自旋液体，美国两个研究小组发现稀土氯化物没有机会。事实上，加州大学洛杉矶分校的第一个研究小组发现了磁有序的证据，而不是量子自旋液态的证据。橡树岭的第二组观察到，通过非弹性中子散射测量的磁激发可以很好地描述为传统的海森堡磁体而不是基塔耶夫磁体。

“尽管如此，我们关注的是这样一个事实，即这种磁有序在大约6 T的饱和场中被抑制，形成一个量子临界点，”Matsumoto说。“我们发现，这个量子临界点为二维极限中的BEC量子临界点提供了一个罕见的例子。

作为他们最新研究的一部分，Matsumoto和他的同事分析了YbCl的纯单晶3.他们收集了一系列高精度测量值，评估这些晶体在非常低的温度（即低至几十毫开尔文）下的比热、磁化强度和热导率。

“我们发现，在大约6 T的饱和场附近，比热和磁化强度的温度依赖性与二维极限中BEC量子临界点的理论预测完全一致，”Matsumoto解释说。

“通过这种方式，通过对这个量子临界点的表征，我们发现这个量子临界点以下和上方的磁场分别对应于有限硬核玻色子经历BEC（磁有序态）和没有玻色子的真空态（全极化态）的状态。

研究人员观察到在他们的 YbCl 中形成了量子临界 2D 玻色气体3样本，似乎通过了 BEC。他们的研究首次提供了涉及二维硬核玻色子的量子关键过程的实验演示，证明了它们作为稀气体的行为。

“我们还成功地证明了，由于2D系统固有的对数校正，有效的玻色子-玻色子排斥在稀度极限中显着降低，”Matsumoto说。

“从理论上讲，这些行为已经为人所知很多年了。然而，由于缺乏合适的材料，我们直到现在都无法在二维空间中展示玻色子的这种基本性质。

Matsumoto及其合作者收集的发现证实，YbCl3，以前被假设为基塔耶夫量子自旋液体，相反，它是一个很有前途的平台，可以在2D极限中实现量子临界BEC。在未来，这一认识可能为专注于这种材料及其基础物理学的新研究铺平道路。

“在真正的二维系统中，BEC是不需要的;相反，预计会出现以涡旋对解离为特征的BKT转变，“Matsumoto补充道。“我们的研究表明，饱和场下方的磁有序可以被视为由极小的层间耦合稳定的BEC，但非常接近BKT跃迁的情况仍然是可能的。

“探索这种可能性，特别是寻找涡旋激发的迹象和其他二维特征的新状态，将是我们未来工作的重要目标。

更多信息：Yosuke Matsumoto et al， 磁场下准二维反铁磁体 YbCl3 中磁振子的量子临界玻色气体， Nature Physics （2024）.DOI： 10.1038/s41567-024-02498-w

期刊信息： Nature Physics