基于自旋梯子模型的低维量子磁体磁性机理研究

Spin ladder is an attractive low-dimensional quantum spin model. Considering the influence of spin frustration and anisotropy, it has a plentiful ground state phase diagram. Based on the compounds synthesized experimentally, theoretical quantum models are proposed, taking into account the coupling among the spin, charge and lattice degrees of freedom, considering the influence of spin frustration and anisotropy, the magnetic order and quantum phase transitions are discussed with the help of Green’s function theory. First, we investigate the influence of the spin frustration and anisotropy on the magnetic order of spin ladders, wherein the magnetic coupling mechanisms associated with gapped or gapless low-lying excitations are revealed. Meanwhile, we discuss the support theory for novel quantum phases observed in lab, and explore the novel physical phenomena for very low temperature or strong magnetic field. Second, considering the spin-lattice coupling interaction, we study the spin-Peierls transition of spin ladders, and discuss the regulation of anisotropy, DM interaction and magnetic field on the transition temperature. At last, we study the magnetic coupling mechanisms for novel quantum phases appeared in two-dimensional quantum magnets, and predicate the appearance of novel quantum phases. The magnetoelectric coupling mechanisms for the ferroelectric polarization in the spiral spin structure will also be studied.

自旋梯子是一种引人注意的低维量子自旋模型。考虑到自旋阻挫、各项异性等作用的影响，它有着丰富的基态相图。基于实验室合成的化合物，提出合适的量子模型，考虑电荷、自旋和晶格等自由度的耦合，考虑各项异性和自旋阻挫的影响，采用量子统计的格林函数方法对其磁有序和量子相变进行探讨。首先，研究自旋阻挫和各向异性对自旋梯子磁有序的影响，揭示其有无能隙的低能激发行为，探讨量子相的微观磁作用机理，探索极低温、强磁场等条件下的新颖物理现象；其次，考虑自旋-晶格耦合，计算自旋梯子的自旋-派尔斯相变，讨论各项异性、DM相互作用和磁场对自旋-派尔斯相变温度的调控；最后，研究二维晶格模型中新颖量子相的磁相互作用机理，预测新颖量子相的出现，并探讨二维螺旋自旋结构中出现电极化的磁电耦合机理。

近年来，低维材料由于其几何尺寸上的受限而存在许多独特的物理性质，从而引起了学者的广泛关注。对低维下物理特性的机理研究有助于我们通过各种手段调控其特性而得到有应用价值的器件。另一方面，磁性材料中的磁相变、磁序等问题也一直是凝聚态物理领域中重要的研究课题。本项目采用密度泛函理论结合非平衡态格林函数的方法研究了基于一维碳化硅纳米带的自旋电子学器件的输运问题。另外，还在实验上合成了一系列的磁性材料，通过对材料的表征研究了其中的磁相变和电输运问题。本项目的主要研究内容及成果有：（1）通过对一维锯齿型碳化硅纳米带的边缘硼或氮掺杂调节其能带结构，得到了铁磁态下的半金属性。并基于此设计了纳米带异质结，发现两边电极处在平行磁构象时，器件具有显著的整流效应，整流率最高可以到达10的9次方数量级。当两边电极处在反平行磁构象时，器件具有突出的自旋过滤效应，自旋极化率100%。通过对电极能带和波函数、散射区输运谱的分析，研究了整流效应和自旋过滤效应出现的物理机制，为自旋电子学器件的设计提供了良好的思路。（2）合成了一系列的磁性材料（TlCo2-xNixS2，NiTe，NiTe2，Zr(Cu,Fe)Se2-δ），通过对磁化率和电阻率的测量，重点分析了材料中的磁相变和磁序。准二维的层状化合物TlCo2-xNixS2（0≤x≤0.05）在低温下是铁磁有序的，对等温磁熵变的研究表明其磁热效应一般。对NiTe和NiTe2单晶电输运的研究表明两者都显示出金属型的导电行为，磁化率的测试表明这两种化合物都是顺磁性的。层状六方晶系Zr(Cu,Fe)Se2-δ样品中添加Fe会导致Zr的替代，晶格参数几乎不受影响。添加Cu会导致范德华间隙的出现，晶格参数变大。所有样品的电阻率呈负的温度依赖性，表现半导体行为。