GdZnPO中螺旋自旋液体的巡游与拓扑激发：低能磁热输运和热霍尔效应的发现

本研究针对阻挫磁体中螺旋自旋液体（SSL）的巡游和拓扑特性缺乏实验证据的问题，通过高质量GdZnPO单晶的极低温热输运测量，首次观测到巨大的磁热导率行为κxxm～κ0+κ1T，并发现正热霍尔效应。结果表明该体系存在沿螺旋轮廓的零能激发和脱离轮廓的线性激发，且部分激发具有拓扑特性，为SSL中低能激发性质提供了关键实验支持，对拓扑量子计算和自旋电子学具有重要启示。

　　

在强关联磁体研究中，阻挫效应能够催生出自旋液体等新奇物态，其特征包括分数量化激发、长程纠缠和拓扑序。这类物态不仅在拓扑量子计算、自旋电子器件和高温超导机理研究中具有广阔前景，还蕴藏着丰富的物理现象等待揭示。其中，螺旋自旋液体（SSL）作为一种由亚极简并螺旋构型合作涨落形成的态，其基态波矢在倒空间中构成连续闭合轮廓或曲面，格外引人关注。近年来，无原子混排的蜂窝状反铁磁体GdZnPO成为研究SSL的理想平台，它不仅具备S=7/2的大自旋量子数，还拥有高度阻挫的J₁-J₂型海森堡相互作用以及易面各向异性，被认为能够稳定存在于极低温环境。然而，尽管理论预言丰富，SSL的输运行为以及其中可能存在的拓扑激发一直缺乏坚实的实验证据，这阻碍了人们对其内在物理机制的深入理解。

针对这一挑战，研究人员在《Nature Communications》上发表了最新成果，通过对高质量GdZnPO单晶开展极低温热输运和热霍尔效应测量，首次揭示了该体系中巨大的磁热导率以及明确的正热霍尔信号，为SSL中低能激发的巡游性和拓扑特性提供了直接实验证据。

本研究主要依托以下几项关键技术方法：使用助熔剂法生长GdZnPO单晶并进行Laue X射线衍射筛选；采用稳态法在3He-?He稀释制冷平台上测量0.05–2 K极低温区间的纵向热导率κ_xx和热霍尔导率κ_xy；利用物理性质测量系统（PPMS）完成电输运及中等温区热力学测量；通过蒙特卡洛模拟和线性自旋波理论计算比对实验数据；对五个独立样品进行对比研究以确定本征输运行为。

样品依赖性及本征输运性质

由于热导率对晶体质量极为敏感，研究团队首先对四个GdZnPO样品（TC1–TC4）进行了系统的低温热导、Laue衍射和电阻测试。结果显示，低品质样品（如TC4）的κ_xx/T在0.3 K以下出现明显下降，且Laue衍射峰宽较大，电阻激活能Δ_e较小，说明晶体缺陷会显著散射声子和自旋激发，抑制热输运。相反，高品质样品（如TC5）具有尖锐的衍射斑点、高电阻率和显著增强的热导率，其行为代表GdZnPO的本征特性。

最高品质晶体的热导率

样品TC5在1 K以下的热导率可良好拟合为κ_xx = κ₀ + κ₁T + K_pT3，其中κ₀和κ₁为磁贡献项，K_pT3代表声子部分。在零场下，κ_xx在0.1 K附近出现异常上升，加0.2 T小场后即被抑制，说明该行为与自旋激发恢复有关。拟合得到κ₀和κ₁分别达0.25 W·K?1·m?1和0.97 W·K?2·m?1，且其场依赖性与磁比热C_m = C₀ + C₁T行为高度一致，证实了SSL中沿轮廓（κ₀对应）和脱离轮廓（κ₁T对应）的激发均具有高度巡游性。

热霍尔效应

在μ₀H ∥ c 轴、T < 1.5 K条件下，样品TC2显示出明确的正热霍尔信号κ_xy/T。该信号在0.8 K以下趋于消失，符合玻色型激发行为；其场依赖关系在2.5 T附近出现峰值，与近期在MnSc₂S₄中发现的斯格明子贡献热霍尔效应类似。通过两能带玻色模型拟合，推测低能带的陈数C ≈ -1，表明GdZnPO中的自旋激发具有非平庸拓扑特性。

讨论与结论

本研究通过极低温热输运和热霍尔测量，证实GdZnPO中存在的螺旋自旋液体态可稳定至50 mK，其低能激发兼具高迁移率和拓扑特性。κ_xx^m ～ κ₀ + κ₁T 行为与比热C_m ～ C₀ + C₁T 高度对应，是SSL的典型特征；而正热霍尔效应的发现则表明其中部分激发具有非零陈数，可能源于自旋与动量涡旋等拓扑缺陷。此外，该材料还展现出远超已知绝缘体的巨磁热效应，具备应用于极低温制冷的潜力。

GdZnPO作为目前少数被实验证实的SSL候选材料，不仅为研究阻挫磁体中演生连续退化与拓扑激发提供了理想平台，也推动了拓扑自旋电子学、量子信息等领域中对新型激发态的开发与利用。未来工作可进一步结合中子散射、极低温谱学等手段，深入探索其激发谱与拓扑序的微观机制。