低维量子磁性材料的量子基态与磁相变研究

Low-dimensional quantum magnets have rich phenomena of quantum magnetic ground states, magnetic phase transitions and elementary excitations, and therefore become the hot topic of condensed matter physics. This project focuses on several typical quasi-one-dimensional and two-dimensional magnet materials, such as S=1/2 chain system, S=1 chain system, S=1/2 ladder system, and spin-dimer system. We plan to study the changes of the ground states by the chemical dopings and the quantum phase transitions induced by magnetic fields, by using the magnetic susceptibility, specific heat and heat transport measurements at ultra-low temperatures and in high magnetic fields. The main research contents include: the relationships between the nature of ground states and the parameters like interchain or interlayer couplings, single-ion anisotropy, spin-orbital coupling, next-nearest exchange, etc; the elementary excitations of various quantum magnetic states, description of the roles of magnetic excitations as heat carriers and phonon scatterers, and the change of magnetic excitations at the phase transitions; the properties of magnetic excitations of materials with Bose-Einstein condensation and the problems of gap re-opening. Based on these studies, we expect to get deeper understandings of the important physics of low-dimensional quantum magnets.

低维量子磁性材料具有丰富的量子基态性质、磁相变和元激发行为，因此成为凝聚态物理领域关注的焦点。针对这些物理现象，本项目以S=1/2或S=1的自旋链、S=1/2的自旋梯子、自旋二聚化体系等几种典型的准一维或准二维磁性材料为主要研究对象，通过极低温强磁场下磁性、比热、热输运性质等测量，研究化学掺杂对其量子态的改变和磁场诱导的量子相变规律，包括：磁性基态与链间和层间耦合作用、单离子各向异性、自旋－轨道耦合、次近邻相互作用等参数的关系；研究不同磁量子态的元激发，对其导热或散射声子的情况加以描述，从而认识磁相变时磁激发性质的改变；研究磁场诱导的从自旋能隙、自旋液体等量子态到反铁磁长程有序状态的磁相变行为；对具有磁振子玻色－爱因斯坦凝聚现象的材料，研究磁激发的特征，确定能隙是否重新打开及其大小。通过这些研究，获得对低维量子磁性材料重要物理问题更为深入的认识。

低维量子磁性材料具有丰富的量子基态性质、磁相变和元激发行为，因此成为凝聚态物理领域关注的焦点。本项目针对这类材料基态磁性质、磁相变及磁激发行为，利用低温磁性、比热、热传导等实验手段开展了系统的工作。研究工作按照原计划顺利进行，取得的主要进展包括：（1）研究了准一维类钻石自旋链材料Cu3(CO3)2(OH)2的低温磁性、比热和热传导行为，发现其磁激发不具有导热能力，但与声子之间存在较强的散射作用。（2）研究了二维kagome台阶磁结构的Co3V2O8材料低温热传导行为，发现其具有巨大的磁热导效应。（3）用溶液生长法制备了Ni[SC(NH2)2]6Br2单晶材料，实验揭示它是一种极少见的S=1的准二维海森堡反铁磁方格子材料，并且具有低温下的XY各向异性，确定了它的磁转变与磁相图。（4）用光学浮区法生长了二维三角磁结构材料CuFe1-xGaxO2（x=0,0.035,0.08,0.12）单晶材料，利用低温磁性、比热和热导率测量，确定了该材料的磁转变与磁激发行为，发现CuFeO2的基态并非是人们之前所认为的简单长程磁有序。（5）针对二维三角反铁磁材料ErMnO3，利用低温强磁场下磁化性质和热导率的测量，确定了不同方向磁场中Er3+的磁结构转变的图像及其显著的自旋－声子耦合效应。通过这些研究，揭示了这些低维磁性材料的磁性、磁相变和磁激发行为，为深入理解这类材料的物理机制提供了必要的实验基础。共发表SCI论文14篇，其中通讯作者的论文6篇（包括2篇Phys. Rev. B、1篇Appl. Phys. Lett.和1篇英文综述论文）；协助培养6名博士生和1名硕士生，其中3名博士生和1名硕士生已经完成学位论文答辩；在国际学术会议做口头报告1次。