准一维磁性材料的多铁性和磁电耦合效应

Recently, some low-dimensional antiferromagnets have been found to exhibit multiferroics and magnetoelectric coupling, which may have different mechanisms from the multiferroics in usual three-dimensional magnetic materials. Investigations on these low-dimensional materials would be very helpful for the understanding of magnetoelectric phenomena and for finding new multiferroic materials. In this project, we choose quasi-one dimensional magnets as the objects of study. Based on growing high-quality single crystals and using various experimental techniques at low temepratures and in high magnetic fields, including magnetization, specific-heat, electric polarization and dielectric measurements, we plan to study the relationship between low-diemensional magnetism and magnetoelectric coupling. The main research contents include: (i) to change the crystals structures and magnetic interactions by chemical doping and study the quantum states, magnetic structures and magnetic phase transitions by using the characterizations of physical properties; (ii) to measure the electric properties for studying the relationship between ferroelectricity, magnetoelectric coupling and quantum magnetism and magnetic phase transitions; (iii) to try to look for some new multiferroic materials in some quasi-one-dimensional magnets with different magnetic structures and magnetic interactions. These works are hopefully able to provide necessary experimental results for deep understanding the multiferroics in low-dimensional magnetic materials.

近年来在一些具有反铁磁交换作用的低维磁性材料中发现了多铁性和磁电耦合现象，其机制与常规的三维磁性材料中的多铁性有所不同，因此对这些材料的研究有助于更全面更深入地认识磁电现象的本质和探索新型多铁性材料。本项目以准一维的磁性材料为主要对象，在制备高品质单晶样品的基础上，利用低温强磁场下磁学、比热、电极化、介电等多种实验手段，研究低维磁性与磁电耦合的关系，包括：通过化学掺杂改变材料的结构和磁交换作用参数，结合宏观物性表征，深入研究这些材料量子态、磁结构和磁相变规律；同时进行电学性质的表征，研究铁电性、磁电耦合与量子磁性和磁相变的内在关联；并尝试在具有不同磁结构、磁交换作用特征的准一维磁性材料中探索新型的多铁性材料。这些实验工作有望为准确理解低维磁性材料的多铁性物理机制提供必要的实验基础。

近年来在一些具有反铁磁交换作用的低维磁性材料中发现了多铁性和磁电耦合现象，其机制与常规的三维磁性材料中的多铁性有所不同，因此对这些材料的研究有助于更全面更深入地认识磁电现象的本质和探索新型多铁性材料。本项目以准一维的磁性材料为主要对象，以低维磁性与磁电耦合为主要研究内容。利用低温强磁场下磁学、比热、电极化、介电等多种实验手段，通过化学掺杂改变材料的结构和磁交换作用参数，结合宏观物性表征，深入研究这些材料量子态、磁结构和磁相变规律；进行电学性质的表征，研究铁电性、磁电耦合与量子磁性和磁相变的内在关联；并尝试在具有不同磁结构、磁交换作用特征的准一维磁性材料中探索新型的多铁性材料。项目研究工作取得了一系列进展，主要包括：对于一维伊辛自旋链体系Ca3Co2O6，通过Mn掺杂，在Ca3Co2-xMnxO6单晶样品中观测到自发电极化，极化强度达到1400 μC/m2，但其电极化的产生与磁性没有直接的关联；对于一维多铁性自旋链材料CuCl2·2((CH3)2SO)，利用热导率测量揭示其磁转变所引起的自旋－声子耦合效应；表征了准一维钻石自旋链材料Cu3(CO3)2(OH)2的磁性、自旋二聚化和低温磁比热行为，其磁激发与声子存在较强的散射；研究了一维自旋链材料(CH3)2CHNH3CuCl3的磁场诱导量子相变行为，观测到磁振子的弹道输运现象，并发现其磁相变后自旋能隙重新打开的特点，说明该材料不是严格的磁振子玻色－爱因斯坦体系；实验给出多铁性材料DyFeO3的磁场－温度相图，并发现其磁转变与电极化的奇特不可逆现象。这些实验为探索低维磁性材料中可能出现的多铁性提供了必要的实验基础。项目执行期间，发表SCI论文10篇，包括5篇通信作者的Phys. Rev. B。