强磁场下铱基烧绿石结构A2Ir2O7中的自旋轨道耦合、几何阻挫及其相互作用研究

In Iridium compounds, there widely exists strong spin-orbital coupling. The approximation between energies of spin-orbital coupling, electron-electron interaction, and crystal field, results into complex competition and balance, which generates a variety of ground states. In the pyrochlore structural A2Ir2O7, there exists geometry frustration on the A-sites in addition to the above interactions. As we know, the high magnetic field can effectively modify the frustration, spin ordering, and spin-orbital coupling. Therefore, this program is designed to study the spin-orbital coupling, the geometry frustration, the spin ordering, as well as the interplay between them by the high magnetic field. The aim of this program is to investigate the effect of the high magnetic field on the geometry frustration and spin-orbital coupling, which will discover the interplay between the spin-orbital coupling, geometry frustration, and spin interaction. Furthermore, the mechanisms of spin ordering and metal-insulator phase transition in this system will be clarified.

在铱基化合物中，普遍存在较强的自旋轨道耦合效应。由于自旋轨道耦合能、电子-电子作用关联能、晶场劈裂能相当，产生了复杂的竞争和平衡，导致了复杂的基态。而在铱基烧绿石结构A2Ir2O7中，除了上述几种能量的竞争，还存在A位的几何阻挫效应。我们知道，强磁场手段可以对其中的阻挫效应、自旋有序、自旋轨道耦合进行有效的调制。因此，本项目拟用强磁场手段，对铱基烧绿石结构A2Ir2O7中的自旋轨道耦合、几何阻挫、自旋有序结构等进行深入研究，揭示强磁场对几何阻挫和自旋轨道耦合的影响，进而对自旋轨道耦合、几何阻挫、自旋相互作用等之间的竞争和合作机制进行探索，并对自旋有序、金属-绝缘转变等物理现象进行研究。

在本研究项目中，我们利用电子顺磁共振、红外光谱、拉曼光谱、等静压等实验手段，结合强磁场，对铱基化合物中的自旋轨道耦合、f-d相互作用、压力效应、A位化学掺杂调制、金属-绝缘转变等进行了研究。主要工作包括：1.对A位具有较强磁矩的Gd2Ir2O7研究表明，其中存在较强的f-d相互作用，并且f-d相互作用和Gd的顺磁磁矩之间的竞争会导致一个新的磁转变；2.利用电子自旋共振手段对Y2Ir2O7的研究表明，其中存在反铁磁和铁磁的竞争和平衡，从而导致了复杂的基态；3.利用红外和拉曼光谱手段对Ca掺杂的Bi2-xCaxIr2O7-δ体系的研究表明，具有较小离子的Ca离子掺杂，可以诱导出金属-绝缘转变的发生，并且增强了体系的反铁磁性，说明A位离子半径在金属-绝缘转变中的重要作用，并进一步证明了反铁磁转变和金属-绝缘转变是相关的；4.对A2Ir2O7（A=Gd，Eu，Sm）压力效应的研究表明，压力效应增强了Gd2Ir2O7中的金属-绝缘相变，但是却抑制Sm2Ir2O7中的金属-绝缘相变，而对Eu2Ir2O7的相变影响很小，说明相变不仅和A位离子的半径有关，和A位4f电子的占据态有很大关系。此外，我们还对IrTe2的晶格动力学进行了研究，确定了低温两种结构相的共存。这些研究揭示了铱基烧绿石结构A2Ir2O7中的自旋轨道耦合、几何阻挫、自旋有序之间复杂的竞争和平衡，进而加深了对该体系自旋轨道耦合、几何阻挫、自旋相互作用、自旋有序、金属-绝缘转变等之间的竞争和合作机制的理解。在该项目的资助下，已发表SCI论文25篇（均标注该项目资助），包括Physical Review B， Scientific Reports，Europhysics Letts，Journal of Applied Physics等。另外，还有3篇论文在投稿中，部分数据正在整理中。