纳米尺寸Gd基低维量子磁性材料的磁热效应研究

Focus on the magnetic properties of low-dimensional quantum magnetism and the application magnetocaloric effect, we will investigate the quantum magnetic properties and low temperature magnetocaloric effect by introducing nano-scale in the rare earth Gd-based low-dimensional quantum magnetic materials. Through analyzing the magnetic ground state introduced by the nano-size effect we will try to establish the relationship between the material structure, the quantum magnetic ground state and the low temperature magnetocaloric effect. The studies will help us to understand the mechanism of the low temperature magnetocaloric effect introduced by the novel quantum magnetic properties and to construct the relationship between nano-size effect and the quantum magnetic ground state. We will find the key factors that influence the low temperature magnetocaloric effect. The main aim of the project is discover the novel low temperature magnetocaloric materials which have large magnetic entropy change.

本项目针对当前低维量子磁性材料和磁热效应蕴藏的研究机遇，通过在稀土Gd基低维量子磁性材料中引入新的自由度——纳米尺度，将低维量子磁性材料同低温磁热效应的研究相结合。通过纳米尺寸效应调控下低维量子磁性体系量子磁基态的改变，研究材料结构与量子磁基态以及低温磁热效应与量子磁基态性质之间的关系。探讨纳米尺寸效应引发的异常量子磁基态性质及其对低温磁热效应的调控机理，探索调控体系量子磁基态及影响低温磁热效应的关键因素。以期发现具有较大磁熵变的新型低温磁热材料。

低维量子磁性材料中的量子效应和寻找具有显著磁热效应的材料，一直是凝聚态物理研究的热点。依照项目计划书，本项目利用磁性测量，结合脉冲强磁场ESR系统地研究了纳米受限对以下三类材料的磁性和磁热效应的影响：（1）具有自旋玻璃态的反铁磁有序材料GdVO4；（2）Gd基双钙钛矿化合物Gd2CrMnO6和Gd2FeMnO6；（3）量子Haldane链Er2BaNiO5。我们的研究发现，纳米尺度对于材料磁性调控的一般规律是：当晶粒尺寸降低到纳米尺度（几十纳米量级）时，体系内反铁磁区域的磁性会得到加强，磁有序温度降低或消失，原有的量子效应如Haldane自旋隙等会被明显抑制。对于这一现象，我们研究发现可以用“核壳”模型来解释，即材料体系内的“核”由反铁磁自旋构成，而“壳”由未补偿的、无序的自旋组成。当样品的晶粒进入纳米尺度时，核内反铁磁相关长度变小，而粒子表面形成大量的顺磁性离子，从而抑制了原来的Haldane自旋隙和反铁磁有序。体系内顺磁无序度的增强会使材料的有序温度降低或者消失，也使得材料内的自旋排列更容易在磁场下发生自旋翻转，从而增强体系的低温磁热效应。