近年来，对新型量子材料的研究持续升温，其中烧绿石铱酸盐（化学式为R2Ir2O7，R代表钇或稀土元素）因其独特的强自旋轨道耦合、电子关联和几何阻挫特性而备受关注，被认为是探索奇异量子现象的理想平台。理论上预测其可能存在多种非常规基态，例如量子自旋液体、外尔半金属、轴子绝缘体、拓扑绝缘体等。然而，由于高质量单晶的制备极其困难，以及对低维结构的调控和表征技术难度大，长期以来，对烧绿石铱酸盐中奇异量子态的实验研究进展缓慢，许多理论预言难以得到验证。
针对以上问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF06课题组的刘笑然特聘研究员积极开展国际合作，利用脉冲激光沉积技术成功制备了高质量的(111)取向Y2Ir2O7单晶薄膜，运用磁输运测量技术、同步辐射共振X射线衍射和共振非弹性X射线散射技术，观测到烧绿石铱酸盐薄膜中奇异的手征自旋液体量子态。
该工作着重研究了不同厚度的 (111) 取向 Y2Ir2O7 薄膜。实验结果显示，在100nm薄膜中，低温条件下呈现出长程反铁磁有序，这与体材料特性一致。而当薄膜厚度减至30nm时，长程磁有序消失，出现一种能持续到5K的量子无序态。运用磁输运测量手段，他们探测到30nm薄膜在约125K以下存在内禀的反常霍尔效应，这意味着其中可能存在手性短程自旋关联；同时，共振非弹性X射线散射结果证实该量子无序态具有无色散的磁激发。这些结果都与手征自旋液体模型的理论预言相符。分析表明，这种奇异的手征自旋液体量子态很可能源于薄膜维度降低引发的磁阻挫，以及增强的量子涨落对长程磁有序的抑制作用。尤为重要的是，这是首次通过实验观测到烧绿石铱酸盐体系中5d电子诱发的手征自旋液体态，为深入理解和精准调控这类材料中的奇异量子态提供了关键的实验依据。这项研究成果为探索拓扑量子相变及临界行为提供了新的实验平台和新的途径。未来，研究人员将进一步探索这种手征自旋液体态的特征响应、调控机制，以及在极端条件下的稳定性，并尝试设计和制备其他具有类似奇异量子态的新型材料体系。
该工作以“Chiral Spin-Liquid-Like State in Pyrochlore Iridate Thin Films”为题发表在Nature Communications上[Nat. Commun. 15, 10348 (2024)]。中国科学院物理研究所翁红明研究员和彭士宇博士、复旦大学戚扬教授和王瑶博士提供了部分理论支持；同步辐射相关实验由美国阿贡国家实验室先进光子源提供机时并协助完成；美国罗格斯大学Chakhalian教授参与讨论。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项的资助。
相关工作链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54655-7
图：(111)取向Y2Ir2O7薄膜中奇异磁基态示意图