高压合成几何阻挫焦绿石磁体R2Ge2O7(R=稀土)：化学压力对磁基态的影响

The geometrically frustrated pyrochlore R2B2O7 (R=Rare earth, B=Sn, Ti)oxides have attracted much attention due to the observation of many exotic magnetic phenomena such as spin ice and spin liquid.Their magnetic ground states are determined by various competing microscopic interactions including the exchange interaction,the long-range magnetic dipole-dipole interaction, and the single-ion anisotropy of rare-earth moments.The delicate balance of these competing interactions and thus the magnetic ground state can be adjusted via varying the interatomic distance of rare-earth ions. In this project, we propose to synthesize the Ge-based rare-earth pyrochlore R2Ge2O7 under high-pressure and high-temperature conditions so as to apply the chemical pressure on the rare-earth sublattice with smaller-size Ge ion. We will first determine their magnetic ground states by comprehensive physical-property measurements at low temperatures, and then make a side-by-side comparsion with the corresponding Sn- and Ti-based pyrochlores with an aim to reveal the effect of chemical pressure on the magnetic ground states of rare-earth sublattice.

具有几何阻挫的稀土焦绿石R2B2O7(R=稀土，B=Sn、Ti)表现出诸如自旋冰、自旋液体等奇特的磁性现象而备受关注。它们的磁基态取决于稀土磁矩之间的交换作用、长程磁偶极作用和单离子各向异性等多种微观相互作用竞争的结果。通过改变稀土离子间距离可以调控这些相互作用竞争的微妙平衡，从而导致不同的磁基态。本项目计划利用高压高温合成锗基稀土焦绿石R2Ge2O7,利用离子半径较小的Ge对稀土亚晶格施加化学压力，通过系统地低温物性测量确定其磁基态，并与相应的Sn基和Ti基稀土焦绿石进行对比，揭示化学压力对磁基态的影响。

具有强烈几何阻挫的稀土焦绿石R2B2O7 (R = 稀土，B = Sn, Ti)因表现出诸如无序导致磁有序、自旋冰和自旋液体等奇特磁现象而备受关注。对特定稀土离子的R2Ti2O7和R2Sn2O7，实验发现它们的磁基态往往存在明显差异，目前主要归因于B位离子半径的不同调控了R3+离子间各种微观相互作用的竞争平衡。但是，化学压力对磁基态的影响并不清楚。本项目的目的就是系统阐明化学压力对稀土焦绿石磁基态的影响规律。我们在高压高温条件下成功制备了四种纯相的锗基焦绿石R2Ge2O7 (R = Gd, Tb, Er, Yb)，利用离子半径较小的Ge对稀土亚晶格施加化学压力，通过详细的低温物性表征确定它们的磁基态，然后与相应的R2B2O7(B=Ti, Sn)进行对比研究，具体揭示化学压力对磁基态的影响。我们还开展了铂基焦绿石R2Pt2O7 (R = Gd, Er, Yb)的高压合成与物性表征，初步揭示了Pt-5d轨道对稀土亚晶格磁性的影响。海森堡型Gd2Ge2O7和Gd2Pt2O7分别在TN=1.42K和1.56K形成长程反铁磁序，比Gd2(Ti/Sn)2O7的TN提高40%和60%；它们TN的提高分别归因于化学压力造成Gd-Gd距离的减小和Pt4+空的eg轨道提供了额外的Gd-O-Pt-O-Gd超交换途径。两者增强的反铁磁交换作用削弱了各向异性能的影响，使得低温磁比热Cm~T3，表现为无能隙的自旋波激发。伊辛型Tb2Ge2O7在降温到20 mK都没有出现长程磁有序，表现出自旋液体磁基态，但是极化中子散射中观察到短程的铁磁关联，表明其可能接近铁磁量子临界点。利用中子衍射首次确定了XY焦绿石Er2Ge2O7和Yb2Ge2O7分别在TN=1.4K和0.62K以下形成psi3型和psi2/3型反铁磁序；在有效自旋S = 1/2和各向异性交换作用的XY焦绿石磁体模型框架下，通过考虑化学压力的影响，对Er2B2O7中不同反铁磁序的连续过渡和Yb2B2O7中铁磁序到反铁磁序的转变进行了统一的解释。总之，本项目圆满完成了预订的研究计划和目标，成功将几何阻挫稀土焦绿石从已有的Sn基和Ti基拓展到了Ge基和Pt基，并系统阐明了化学压力对不同类型的焦绿石磁体磁基态的影响规律，从而为检验理论模型、推动理论模型的发展和完善提供了详实的实验依据。