(1/2, S)混合自旋反铁磁XY二聚体与三聚体系统中的量子纠缠特性研究

本研究针对(1/2, S)混合自旋反铁磁XY系统的量子纠缠特性展开理论探索，通过负性度(Negativity)量化分析二聚体和三聚体模型在零温及外磁场条件下的纠缠行为。研究发现：XX模型中半整数自旋系统具有相同纠缠值，整数自旋系统在零磁场时亦呈现等值纠缠；存在使基态纠缠消失的阈值磁场；(1/2, 2)XY系统在零温无磁场时形成混合态热纠缠；三聚体系统中AFM构型因阻挫效应导致自旋1/2间纠缠近乎为零。该成果为量子信息材料设计提供理论依据，发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》。

　　

量子纠缠作为量子计算的核心资源，其在不同自旋系统中的演化规律一直是凝聚态物理与量子信息科学的交叉热点。然而，混合自旋(1/2, S)体系在反铁磁相互作用下的纠缠特性尚不明晰，特别是二聚体与三聚体构型在外磁场、温度变化等复杂条件下的响应机制缺乏系统研究。这些问题的解决对开发新型量子器件材料具有重要指导意义。

山东某研究团队通过解析计算与数值模拟相结合的方法，构建了(1/2, S)混合自旋XX/XY模型的哈密顿量，采用负性度(Negativity)作为纠缠度量标准，系统研究了零温基态和有限温度下的热纠缠行为。研究特别关注了单离子各向异性参数A、外磁场强度B以及各向异性参数γ对纠缠特性的影响。

主要技术方法
通过构建混合自旋系统的哈密顿量，采用负性度量化纠缠程度，分析不同自旋组合(S=1/2,1,3/2,2等)在XX/XY模型中的本征态。计算包含外磁场项B(s₁
^z
+S₂
^z
)和单离子各向异性项A(S₂
^z
)²
的完整相互作用，通过密度矩阵ρ(T)=exp(-βH)/Z研究热力学性质，重点考察零温极限和临界温度附近的纠缠演化。

研究结果

1. (1/2, S)混合自旋XX模型
   发现半整数自旋系统在零温无磁场时具有相同的纠缠值，整数自旋系统亦然。当施加磁场B=0.5时，所有系统的负性度呈现统一规律，表明磁场对纠缠具有普适调控作用。

2. (1/2, 2)混合自旋XY模型
   揭示零温无磁场时系统通过混合态实现热纠缠。各向异性参数γ的正负对称性导致纠缠对γ和-γ响应相同，在γ=0(XX模型)和γ=1(Ising模型)间连续过渡。

3. (1/2, 3/2)三聚体系统
   发现AFM构型因几何阻挫导致自旋1/2间纠缠N₁₃
   ≈0；临界温度T_c
   在铁磁(FM)情况下高于反铁磁(AFM)，且不受外磁场影响。在极低温下，纠缠在特定磁场范围内形成稳定平台，超过临界场强后突然消失。

结论与意义
该研究首次系统阐明了混合自旋XY系统中纠缠与自旋量子数、磁场强度和温度的多维关联规律。特别是发现三聚体AFM系统的阻挫效应会完全抑制特定自旋对间的纠缠，这一现象为量子自旋液体材料的筛选提供了新判据。提出的阈值磁场概念和热纠缠稳定平台效应，为固态量子比特的操控策略设计奠定了理论基础。研究结果对实现基于混合自旋链的量子存储器具有重要指导价值。