由量子涨落导致的有序－无序相变是凝聚态理论研究的一个基本问题。研究这种量子相变的一个基本物理模型是在横向磁场作用下一维自旋S=1/2的Ising模型，这个模型等价于二维的经典Ising模型，早在半个世纪之前，著名的化学物理学家Onsanger就给出了这个模型的严格解，其结果极大地推动了对相变临界现象、量子磁性、量子纠缠和许多其他基本物理问题的研究。但在实际的物理系统，绝大多数情况下，自旋都是大于1/2的。这时，由于存在新的自由度，求解量子Ising模型变得很难。例如，对于自旋为1的量子系统，除了自旋朝上和朝下的两种极化状态之外，还存在自旋极化为零的中性极化态，相当于一个空穴。一般情况下，空穴可以衰变为一对正负为1的极化态，反之亦然。这不仅破坏了有序态的稳定性，也破坏了这类模型的可积性。

 

最近，中科院物理所向涛研究员与浙江大学近代物理中心戴建辉教授以及他们的学生合作，在求解各向异性晶体场作用下自旋为1的量子Ising模型方面取得了突出进展。他们提出了一套空穴分解方案，并利用Jordan-Wigner变换，得到了这一模型全部本征态的严格解。根据这个模型的性质，他们进一步提出了一种迭代方法，处理对各种空穴构形的统计平均，使得计算热力学极限下系统的各种热力学量成为可能，并得到了这个模型热力学量的严格结果。这种迭代方法具有很强的普适性，不仅可以研究自旋为1的量子Ising模型，而且可以普遍地用于研究有非磁性杂质掺杂的量子磁性系统。他们的工作确定了该模型丰富的相图结构，通过热力学量的计算发现了空穴激发导致的比热尖峰效应和对量子临界涨落的抑止行为，对进一步研究高自旋模型中的量子相变与临界行为有指导意义。相关的结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters） 上。

 

这项研究得到了中国科学院、教育部、国家自然科学基金和科技部项目的支持。（来源：中科院物理所）