量子磁体的中子散射研究

Quantum magnets have strong spin quantum fluctuations that will result in new phenomena and effects, which can be well compared with theories and thus greatly promote our understanding on strongly correlated electron systems. Neutron scattering is a unique method to study magnetic structures and magnetic excitations, and thus becomes one of the most important tools to study quantum magnets In this project, we will study two types of quantum magnets by neutron scattering technique. The first type is based on our newly discovered two-dimensional kagome material Cu3Zn(OH)6FBr, whose ground states may be Z2 quantum spin liquid. We will further study its properties and related materials, such as whether its spin excitations obey bosonic or Fermi statistics, whether a quantum phase transition between the antiferromagnetic order and quantum spin liquid exists, and whether the ground states of Cu3Mg(OH)6FBr can be described as the novel cuboc2 structure. The second type of materials is SrCu2(BO3)2, which is the only material that can be described by the Shastry-Sutherland model. A novel 4-spin plaquette singlet state is found under high pressure. We will study this state and the relevant quantum transitions in details.

量子磁体中存在着较强的自旋量子涨落，因此会出现新现象、新效应，并可以与理论较好的比较，极大推进了强关联理论研究。中子散射是研究磁结构和磁激发的独特手段，是研究量子磁体最重要的技术之一。本项目将以中子散射为主要研究手段，针对两类量子磁体进行研究。第一类是基于我们新发现的二维kagome材料Cu3Zn(OH)6FBr，其基态很可能是Z2量子自旋液体。我们将继续推进该材料及其相似材料的研究，包括其自旋子激发遵循玻色还是费米统计，Cu4-xZnx(OH)6FBr体系中是否存在着反铁磁序到量子自旋液体的量子相变，以及Cu3Mg(OH)6FBr的反铁磁基态是否为奇异的cuboc2类型等。第二类材料是SrCu2(BO3)2，，是唯一符合Shastry-Sutherland模型的材料，在高压下存在新奇的块状四自旋单态。我们将详细研究块状四自旋单态的性质，及其相关的量子相变特性。

量子磁体中存在着较强的自旋量子涨落，因此会出现新现象、新效应，并可以与理论较好的比较，极大推进了强关联理论研究。中子散射是研究磁结构和磁激发的独特手段，是研究量子磁体最重要的技术之一。本项目结合极低温比热、磁化率、中子散射等多种探测手段，对多个量子磁性磁体材料进行了深入研究，取得了较为重要的成果。具体包括：在二维笼目材料YCu3(OH)6Br2[Br0.33(OH)0.67]中，我们发现其比热在零场和加磁场下分别存在温度平方和线性依赖关系，符合U(1)狄拉克量子自旋液体的图像；我们给出了二维笼目体系Cu4-xZnx(OH)6FBr的磁相图，发现其存在着磁相分离的现象，且在高Zn掺杂样品中可能存在着类似超导体中相干长度的现象，和Z2量子自旋液体的预期相符；我们发现二维笼目结构材料Cu3Mg(OH)6Br2具有反铁磁长程序，但面内的自旋是铁磁排布的；在两类二维正方笼目结构材料中，我们的比热都建议其可能具有量子自旋液体的基态；我们在二维正方结构材料 Sr2CuTe1-xWxO6和蜂巢结构材料SrIr2O6-x中都发现其基态可能是二维随机自旋单态；我们详细研究了准一维材料NdFe2Ga8材料的磁性，发现c方向磁场可以在7T左右诱导出一个量子临界点，其行为很可能和多极矩序有关。这些结果丰富了我们对多个量子磁性体系的了解。