清華大學在高自旋的姚李模型研究方面取得重要進展

清華新聞網12月6日電 近日，清華大學高等研究院姚宏研究組首次提出高自旋的姚-李模型（Yao-Lee model）并闡明其基態是一種新奇的量子自旋軌道液體（quantum spin-orbital liquid）。這一重要研究進展為新奇拓撲物態的探索提供了新的方向，并有望推動拓撲量子計算及新型材料設計領域的相關發展。

量子自旋軌道液體是一類具有長程量子糾纏的新奇量子物態。由于其豐富而獨特的物理性質，如拓撲序、任意子激發、去禁閉的分數化激發等，以及其與高溫超導微觀機制和拓撲量子計算的緊密關聯，量子自旋液體在過去幾十年間引起了不同領域物理學家的廣泛關注和深入研究。與傳統的自發對稱性破缺相不同，量子自旋軌道液體的實現通常要求量子體系滿足更為嚴苛的條件，例如足夠強的自旋或軌道阻挫。這使得在材料預測和實驗驗證中確定量子自旋軌道液體具有挑戰性。此外，目前理論上已知能夠實現這種量子物態的二維微觀晶格模型仍然非常稀少。

該研究中，姚宏研究組將自旋1/2的姚-李模型推廣到高自旋并證明其基態具有非平庸的拓撲序。自旋S=1/2的姚-李模型由姚宏教授和加州大學伯克利分校李東海教授于2011年提出，在先前研究中被發現具有嚴格可解性，其拓撲激發可具有自旋對稱性保護的多重馬約拉納零能模。高自旋的姚-李模型的基態目前尚不能被嚴格求解，姚宏研究組通過分析高自旋的姚-李模型的嚴格的規范結構，證明其基態必定為拓撲非平庸的量子自旋軌道液體。更進一步，研究通過可控的理論分析，論證了這些高自旋模型可實現無能隙甚至非阿貝爾的量子自旋軌道液體相，并構造了嚴格的去禁閉非阿貝爾自旋分數化激發，有可應用于拓撲量子計算的前景。

二維蜂窩晶格的姚-李模型及其元激發的示意圖

相關研究成果以“高自旋姚-李模型中的精確去定義規范結構：一種具有自旋分餾和非交換任意子的量子自旋軌道液體”（Exact Deconfined Gauge Structures in the Higher-Spin Yao-Lee Model: A Quantum Spin-Orbital Liquid with Spin Fractionalization and Non-AbelianAnyons）為題，12月5日發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

清華大學高等研究院博士后武爭志（現為牛津大學博士后）和2018級博士生張景云為論文共同第一作者，教授姚宏為論文通訊作者。研究得到國家自然科學基金委員會理論物理專項、科技部重點研發項目、新基石科學基金會“科學探索獎”、清華大學水木學者計劃等的資助。

論文鏈接:

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