量子顺电体磁电性质及其量子扰动效应的研究

The coexistence and coupling of the electric and magnetic order parameters can provide a novel platform to probe magnetoelectric effects in paraelectrics. The potential applications of magnetoelectric coupling on future high-density, high- speed and low-energy-cost electronic devices stimulate material scientists and condense matter physicists to revisit paraelectric systems over the past decades. Based on our previous work, this project will focus on the magnetic properties and magnetoelectric coupling effect of the quantum paraelectrics. The following three aspects will be important discussed.(1) The effect quantum spin fluctuation on the magnetic properties and magnetoelectric properties of quantum paraelectrics will be studied.(2) The magnetic structure in EuZrO_3 will be discussed. (3)The relation between magnetoelectric coupling and dielectric constant, as well as their internal mechanism, will be investigated. And the mathematical expressions for relation between the dielectric constant and the pair correlation of neighboring spin will be obtained for compound. The research item can not only help us to enhance the magnetoelectric coupling effect, but also for understanding the mechanism of paraelectrics of magnetoelectric coupling effect has important academic significance.

顺电材料中电荷和自旋序参量共存，并相互耦合在一起，产生磁电耦合效应。由于磁电耦合效应在未来高密度、低能耗、高读写速率器件的重要应用前景，近10 年来，顺电性材料的研究成为了材料科学以及凝聚态物理领域的热点之一。在我们前期工作基础上，本项目将对量子顺电材料的磁学及磁电性质进行研究，重点讨论如下三个方面的内容：(1)探究量子自旋扰动对顺电体磁性质和磁电耦合效应的影响。(2)探讨顺电体材料EuZrO_3的磁性晶格类型。(3)探讨磁电耦合与介电常数之间的关系及内在机理，提出一个自旋关联函数与介电常数之间更为合理的数学表达式。该项目的研究不仅有助于提高顺电材料的磁电效应，而且对于理解顺电材料的磁电效应的形成机理有着重要的学术意义。

本项目围绕申请书提出的研究方案，主要研究量子自旋扰动对顺电体材料性质的影响。从理论模型出发，通过不同的理论手段，结合实验数据，探究了顺电体材料的磁性质及量子扰动对材料性质的影响。研究获得了以下成果：（1）基于实验结果，建立了合适的理论模型，采用格林函数方法，在有效考虑自旋间的关联效应后，通过对比分析了平均场理论结果，从物理上明确指出了平均场理论的缺陷。（2）基于解析的手段，提出了一种精确确定磁性材料中自旋间相互作用参数的方法，通过对比分析不同顺电体材料的实验数据佐证了我们方法的可行性。（3）得到了<S^z_iS^z_j>解析表达式，克服了平均场理论忽略纵向关联效应。同时，为了探究量子扰动对系统磁性质的影响。探讨了包括磁场、掺杂和磁晶各向异性等因素，从多个方面来改变各种不同的微观机制，从而达到有效探究量子扰动对系统磁性质的影响。本项目执行期间，已发表的标注本项目致谢的SCI论文9篇，中文核心论文2篇。研究还延伸到了下一步的目标领域。