二维三角反铁磁材料的磁性与磁相变

Two-dimensional triangular antiferromagnets with S=1/2 and 1 have novel quantum magnetisms and magnetic phase transitions due to strong geometric frustration and quantum fluctuations, and therefore have received intensive research interests. This project mainly studies several two-dimensional triangular antiferromagnets, such as Ba3MSb2O9 (M = Co, Cu, Ni), Cs2CuCl4, Cs2CuBr4 etc. We plan to grow the single crystals of these parent and chemically doped materials by using the floating-zone method and solution growth method; to characterize the zero-field ground states and magnetic excitations by using the low-temperature and high-field measurement systems of the project team; to characterize the whole H-T phase diagram and magnetic transitions of these materials and to study the changes of magnetic excitations induced by the magnetic transitions, by using the magnetic susceptibility and specific-heat measurements of the high-field facilities (> 20T) in the High Magnetic Field Laboratory of CAS; to study the effects of chemical doping and high pressure on the magnetisms and magnetic phase transitions and to probe the relationship between quantum magnetisms (and magnetic structures) and those parameters like spin exchange, anisotropy and interlayer coupling. Based on these studies, we expect to make new progresses in the mechanisms of quantum magnetisms, novel quantum phenomena and explorations of new materials.

自旋S=1/2或1的二维三角反铁磁材料由于几何阻挫和量子涨落效应，具有许多奇特的量子磁性和磁相变现象，因此备受关注。本项目以Ba3MSb2O9（M = Co, Cu, Ni）、Cs2CuCl4、Cs2CuBr4等二维三角反铁磁材料为主要研究对象，利用光学浮区法、溶液生长法制备母相及掺杂的单晶样品；利用项目组的低温强磁场测量系统对零场基态和磁激发性质进行表征；利用中科院强磁场中心的强磁场（≥20T）实验平台的磁化率和比热测量，对材料完整的温度－磁场相图和磁相变进行表征，并研究不同磁性转变引起的磁激发行为变化；研究化学掺杂与压力效应对磁性和磁相变行为的影响，探讨磁交换作用、各向异性、层间耦合等参数与量子磁性、磁结构形成机制的关系。基于这些研究，争取在量子磁性机制、新奇量子现象和材料探索方面取得新的进展。

自旋S=1/2或1的二维三角反铁磁材料由于几何阻挫和量子涨落效应，具有许多奇特的量子磁性和磁相变现象，因此备受关注。本项目以这类材料的磁性与磁相变为主要研究内容，利用项目组的低温强磁场设备和中科院强磁场中心的强磁场（≥20T）实验装置，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）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，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。（2）针对具有二维三角反铁磁结构的ErMnO3，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。（3）设计合成了Ba8CoNb6O24材料，构建了一个理想的自旋1/2的二维三角海森堡反铁磁体系，该材料直到0.06 K的极低温度都不具有长程磁有序。（4）在具有阻挫的二维三角结构BaFe12O19材料中，利用极低温比热和热导率的测量，揭示其具有量子电偶极液体的奇特基态，并且该量子液体的元激发具有能隙。通过这些研究，揭示了二维三角反铁磁材料的磁性、磁结构转变和磁激发行为，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19篇，其中通信作者的论文15篇（包括1篇Nat. Commun.、1篇Phys. Rev. Lett.、4篇Phys. Rev. B、1篇Appl. Phys. Lett.和1篇英文综述论文）；共培养9名博士生和1名硕士生，其中4名博士生和1名硕士生已经完成学位论文答辩；在国际学术会议做邀请报告2次、口头报告1次，在国内学术会议做邀请报告4次。