低维磁性与阻挫材料的探索以及强磁场诱导相变的研究

Low-dimensional spin systems and frustrated materials have been a hot topic in condensed matter physics due to their rich magnetic ground states and various quantum critical behaviors. Such magnetic systems usually show new quantum phenomena including disorder-order transitions or order-disorder transitions under a high magnetic field. In some cases, high-field magnetic measurements have been one of the most powerful methods for the study of quantum phase transitions. In this project, we are focusing on the 3d transition-metal oxides with a low-dimensional structure. The search for new one-dimensional spin-chain systems and two-dimensional spin-frustrated materials is based on the structural controlling and element substitution. Magnetic ground states are confirmed by means of conventional magnetic and heat capacity measurements, while field-induced magnetic transitions, elementary excitations, and quantum mechanisms are investigated by means of various high-field magnetic measurements. Our works will lay a experimental foundation for the national study of low-dimensional quantum magnetism and frustrated physics regarding new materials, new properties, and new mechanisms.

低维磁性与阻挫材料具有丰富的磁性基态性质和量子临界行为，是目前凝聚态物理的研究热点。这类材料通常在强磁场的作用下会发生无序-有序或有序-无序磁相变，导致各种新奇量子态的出现，因此强磁场实验测试成为探索新物态的重要手段之一。本项目是以低维结构的过渡金属氧化物材料作为研究对象，通过结构调控和元素置换等方法设计开发新颖的一维链和二维阻挫材料。通过磁学和热学性质的常规实验手段来表征其基态行为，同时利用低温强磁场磁学测试手段研究磁场诱导相变规律以及探讨磁有序激发态和量子效应机制。本项目的研究工作将为国内开展低维磁性与阻挫物理的新材料、新现象和新机理的相关物理问题的研究奠定实验基础。

低维磁性与自旋阻挫材料是目前理解得最为深入的一类典型的强关联系统，而强磁场成为多种量子相变现象研究和量子态调控的一种重要的实验手段。对于基态的相变机制、元激发的特征以及自旋系统的维度转变，这些都是目前凝聚态物理所关心的核心问题。本项目是以低维结构的过渡金属氧化物材料作为研究对象，开发新颖的一维链和二维（三角网格）的自旋体系材料。通过单晶生长技术获取大尺寸单晶样品，利用低温强磁场磁学测试手段研究磁场诱导相变规律以及探讨磁有序激发态和量子效应机制。研究结果主要包括 (1)确认了第一个Octa-kagome化合物的自旋无序基态；(2)确认了第一个具有5/16缺陷的Kagome格子化合物的自旋无序基态; (3)发现了新型二聚体化合物玻色-爱因斯坦凝聚现象；(4)研究了一维链化合物Ni2V2O7单晶的1/2磁化台阶以及磁相图；(5)发现了一维伊辛链体系的量子相变临界行为。这些研究结果对低维磁性和阻挫物理的临界现象的理解有重要的科学意义，同时对探索新型自旋晶格化合物有重要的指导作用。