清华新闻网6月30日电 近日，清华大学高研院姚宏教授研究组与合作者发文，首次提出在Z₂量子自旋液体的分数化量子临界点上可以涌现超对称性。该研究揭示了量子自旋液体、演生超对称性与量子临界现象之间的深刻联系，为理解强关联量子体系中的新奇临界行为提供了新的理论框架和研究方向。

超对称性最初是高能物理中提出的重要理论概念，旨在建立玻色子与费米子之间的深刻关联。尽管迄今为止粒子物理实验尚未发现其直接证据，凝聚态物理却为探索超对称性提供了另一条重要路径：在量子多体系统的低能、长波长极限下，一些微观上并不具备超对称性的模型，可能在量子临界点附近涌现出超对称结构。这一现象不仅拓展了人们对于对称性与相变的理解，也为在量子材料和强关联体系中研究基本物理概念提供了新的思路。

该研究聚焦Kitaev蜂窝晶格模型，并引入Su-Schrieffer-Heeger型自旋-声子耦合。通过数值计算与场论分析，研究团队发现，该模型可实现一种分数化的量子临界行为：系统在狄拉克量子自旋液体与伴随Z_2拓扑序的价键固态相之间发生连续相变。进一步的低能有效场论分析表明，当纳入声子的量子涨落后，该分数化量子临界点会流向具有N=2时空超对称性的不动点（fixed-point）。值得注意的是，与传统超对称的体系不同，这里的微观模型只有玻色子自由度，费米子来自于自旋的分数化，这提供了一种利用分数化，在量子自旋液体中实现演生超对称性的新框架。同时，该研究还指出在超对称临界点附近，热导率和剪切黏滞等物理量可能呈现普适标度行为，为未来在Kitaev自旋液体候选材料及具有强自旋-晶格耦合的量子材料中寻找演生超对称性提供了可检验线索。

Kitaev-SSH自旋-声子耦合模型示意图: 量子临界点处由自旋分数化产生的狄拉克费米子与波色子(声子)之间涌现分数化的超对称性 (SUSY*)

研究成果以“二维分数量子临界点处涌现的时空超对称”（Emergent spacetime supersymmetry at 2D fractionalized quantum criticality）为题，于6月24日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

清华大学高研院2023届博士毕业生、牛津大学博士后武争志，清华大学高研院2024届博士毕业生、美国Flatiron Institute博士后万周全为论文第一作者。姚宏，清华大学高研院2019届博士毕业生、杜兰大学助理教授简少恺为论文通讯作者。

研究得到国家自然科学基金委员会理论物理专款项目、科技部重点研发项目、新基石科学基金会“科学探索奖”、清华大学“水木学者”计划、英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）基金、赛蒙斯基金会（Simons Foundation）和杜兰大学研究启动基金等的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zqnh-tb1d

供稿：高研院

编辑：李华山

审核：郭玲