量子伊辛磁体 K2Co(SeO3)2 中超固体的相图与光谱学特征

既固态又流动的奇异世界

设想一种材料同时既是刚性的晶体又是无摩擦流体。这种违反直觉的态被称为“超固体”，几十年来令物理学家着迷，但在真实材料中很难确凿确认。在这项工作中，研究者表明一种钴基磁体 K2Co(SeO3)2 就表现出这种奇异行为。通过在极低温和强磁场下精确绘制自旋——微小原子磁矩——的排布与涨落，他们揭示了不止一种而是两种不同的超固体相，为一些最古怪的量子物质打开了一个可实验访问的新窗口。

平坦的磁性游乐场

这一发现的关键在于几何与挫折。在 K2Co(SeO3)2 中，带磁性的钴离子位于平坦的三角层上。在这样的晶格上，相邻自旋倾向于指向相反方向，但三角形上的三个自旋无法同时满足这一规则。这种“挫折”导致大量近乎等能的排布，就像一叠乱序的牌，许多排列的能量几乎相同。在零磁场和低温下，中子散射实验显示自旋选出具有更大三位点基元胞的重复模式，打破了晶体的规则平移对称。与此同时，自旋并未完全冻结：有序磁矩的大小被强烈抑制，表明剧烈的量子运动使体系在有序与无序之间徘徊。

当有序与流动并存

为了弄清这种不安定的态是否为超固体，团队考察了自旋的动态而不仅是它们的排列。利用非常灵敏的中子谱学，他们发现体系支持宽带的磁激发，而不是简单磁体中预期的锐利激波。在由三角模式决定的特殊波矢处，他们同时观测到两个关键成分：一个能量降到零的模，以及另一个具有微小但有限能隙的模。用对称性的语言来说，这些特征表明体系既破坏了连续的自旋旋转对称性（类似于可无阻流动的超流体），又破坏了离散的平移对称性（类似于具有重复密度模式的晶体）。二者并存就是在这一磁性背景下判定超固体的双重标志。

磁场中的量子相图

沿自旋易轴施加磁场使研究者能调节竞争排布之间的平衡。对广泛温度和磁场范围内的热容与磁化率测量揭示了详尽的相图。在中等磁场下，自旋在每个三角形上排列成“上-上-下”的模式，导致磁化在三分之一处锁定的稳固阶梯（磁化台肩）。该相变表现出与著名的二维 Potts 模型一致的行为，证实底层相互作用极其接近理想的理论情形。在较低磁场时，数据表明体系平滑地进入低场超固体区，长但非无限的关联长度在零场下实际上也有效破坏了三子晶格对称性。

靠近完全极化处的第二种超固体

惊喜不止发生在高场。在磁化接近饱和时，精细的磁化与熵测量揭示了夹在三分之一台阶与完全一致相之间的另外一个相。相同三角晶格模型的理论预测在该磁场窗内体系再次容纳一个超固体：自旋几乎全部对齐，但少量成分仍能相干运动，产生既有刚性排列又有量子流动的混合态。实验与这些预测一致，包括进入该高场超固体时所期望的像一阶相变那样的尖锐跃变。通过分析台阶相的自旋波谱，团队还确定了相互作用强度，并显示显著影响的仅为最近邻，使 K2Co(SeO3)2 成为对理想模型而言异常清洁的实现。

这对量子材料为何重要

对非专业读者而言，关键信息是 K2Co(SeO3)2 可作为一种可实验研究的体系，展示看似矛盾的行为：同时为固体与超流体。在该磁体中，自旋的位置形成类似晶体中原子的重复模式，而它们的量子运动仍保持离域且相干，类似流体。这种组合产生的超固体相不再只是理论上的奇想，而是已被详细制图并用强大的谱学工具探测到。由于相关能量尺度远高于早期候选材料，该材料允许更精确的测量和更严格的理论检验，使其成为理解量子涨落如何塑造全新物质态的基准体系。

引用: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

关键词: 超固体, 挫折磁性, 三角晶格, 量子自旋体系, 中子散射