量子自旋液体由诺贝尔奖获得者、凝聚态物理重要奠基人P. W. Anderson教授在研究反铁磁三角格子自旋1/2的海森堡反铁磁体模型时提出。这样的体系中虽然有很强的自旋关联，但宏观上直到绝对零度也不出现磁有序。量子自旋液体除了被用来解释高温超导的可能形成机理——即通过对其掺杂来实现高温超导电性，也由于其无序排列的自旋存在长程的量子纠缠，在量子计算中有潜在的应用前景，因此受到了广泛关注，成为凝聚态物理研究领域一大重要课题。经过近四十年的研究，目前已经取得了很多理论方面的成果，但是仍然缺乏公认的量子自旋液体存在的实验证据。主要困难有两个：一是因为量子自旋液体不具有类似传统相变所对应的对称性破缺和序参量，即不存在局域的实验可观测量。另一方面是因为目前很多量子自旋液体候选材料无法长成可供测量的大尺寸单晶或单晶本身存在较多缺陷，严重阻碍了对量子自旋液体的深入研究，使得目前实验上报道的量子自旋液体仍然充满了争议。
中科院物理研究所张清明研究员最近提出了一类新量子自旋液体候选材料，即三角格子ReYbCh2（Re=Rare earth, Ch=O, S, Se）体系，但是前期研究缺乏对单晶样品中子散射测量，因此缺乏分数化磁激发存在的关键实验证据。我校物质学院郭艳峰教授课题组通过对生长的三角格子NaYbSe2磁化率及低温比热测量后分析发现，该材料直至低温40 mK尚无长程磁有序出现，并且该结构存在较大的结构阻挫及磁阻挫。在上海同步辐射光源进行的结构表征以及在我院分析测试平台的表征结果表明，该晶体结构存在的缺陷或原子相互占位情况非常低，因此是研究量子自旋液体行为较为理想的候选材料。郭艳峰教授课题组与北京师范大学鲁兴业教授、美国Rice大学戴鹏程教团队组合作，对生长的高品质单晶样品开展了弹性及非弹性中子散射研究，发现该样品的磁激发并不是尖锐的自旋波（磁振子）激发，而是覆盖了布里渊区大片区域（0.1 – 2.5 meV）的连续谱。这种连续谱普遍存在于整个磁激发的带宽之内，主要集中在布里渊区边界，而在布里渊区中心附近信号则被压制，从而在色散谱上形成了V字形的上边沿。进一步的理论计算表明，这种连续谱在低能具有较高的态密度，其整体形状与自旋子费米面附近的粒子-空穴激发谱的计算结果相吻合，而与狄拉克量子自旋液体的激发谱相左。进一步的中子数据及低温比热分析揭示该材料具有~1 meV的较弱的反铁磁交换作用，在15 K左右自旋系统的熵已经接近于饱和（~ Rln 2），与自旋1/2的Yb3+局域磁矩符合。低温磁化率和比热随温度变化规律表明该系统的低能激发是零能隙的。低温比热测量揭示了T^3/2的行为。这一系列实验证据说明NaYbSe2很可能是一种具有U(1)规范场涨落的自旋子费米面量子自旋液体，即U(1)规范涨落导致系统变成一个自旋子的非费米液体。
图三：中子散射在40mK低温下测量的自旋子连续谱