自旋阻挫材料的强磁场物性研究

Spin-frustrated systems are one of the hot topics in condensed matter physics, due to their rich magnetism and quantum phase transitions. Using the high-magnetic-field (≥ 20 T) conditions in the High Field Laboratory of CAS, this project mainly studies several typical spin-frustrated materials, such as two-dimensional triangular lattice Ba3MSb2O9, honeycomb lattice M2IrO3 and α-RuCl3, pyrochlore lattice R2Ti2O7, and spinel lattice AB2X4. The main scientific questions are quantum magnetisms, magnetic phase diagrams, natures and heat-transport behaviors of magnetic excitations. We plan to study the ground-state magnetisms and magnetic transitions through element doping and replacements or applying high pressure; to characterize the whole H-T phase diagram and magnetic transitions of these materials and to study the changes of magnetic excitations accompanied with the magnetic transitions, by using the magnetic susceptibility, specific heat, nuclear magnetic resonance, thermal conductivity and thermal Hall effect measurements in high magnetic fields and at low temperatures. Combining with the theoretical investigations, we try to explore the relationship between the mechanisms of quantum magnetisms and magnetic structures and those parameters like spin exchange, spin anisotropy and interlayer coupling etc., and to explore the natures and heat-transport mechanisms of magnetic excitations. Based on these studies, we expect to make new progresses in the mechanisms of quantum magnetisms, magnetic excitations and novel quantum phenomena.

自旋阻挫材料由于其丰富的磁性和量子相变现象，成为凝聚态物理领域当前的研究热点之一。本项目利用中科院强磁场中心的稳态强磁场（≥20T）实验条件，以Ba3MSb2O9、M2IrO3、α-RuCl3、R2Ti2O7、AB2X4等几种代表性的三角结构、六角蜂窝结构、烧绿石结构、尖晶石结构的自旋阻挫材料为研究对象，以量子磁性、磁相图、磁激发特征和热传导行为为主要问题，通过元素掺杂与替换以及外加压力，研究基态磁性与磁转变；利用低温强磁场下磁化率、比热、核磁共振、热导率、热霍尔效应等测量，对材料完整的磁场－温度相图和磁相变进行表征，并研究不同磁转变伴随的磁激发行为变化。结合理论分析，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，以及磁激发特性和热传导机制。基于这些研究，在量子磁性机制、磁激发行为和新奇量子现象探索方面取得新的进展。

自旋阻挫材料由于其丰富的磁性和量子相变现象，成为凝聚态物理领域当前的研究热点之一。本项目以几种代表性的三角结构、六角蜂窝结构、烧绿石结构等自旋阻挫材料为研究对象，利用低温强磁场下磁化率、比热、磁共振、热导率、热霍尔效应等测量，并利用中科院强磁场中心的稳态强磁场（≥20T）实验条件，研究这些材料的量子磁性基态、磁相图、磁激发特征和热传导行为。研究工作按照计划顺利进行，取得的主要进展包括：（1）合成了Cu2(OH)3Br、Na2BaNi(PO4)2、Ba2Ni(PO4)2、Er2AlSbO7、Ba2Ni3(C2O4)3(OH)4·3H2O等多种新型阻挫反铁磁体系的单晶材料，利用低温磁化率、比热、超强磁场磁化曲线等测量对其磁性基态、量子自旋态转变和磁相图给予了表征。（2）利用极低温热导率与超强磁场下比热测量确定了二维三角反铁磁材料Ba3CoSb2O9的磁转变与磁相图，尤其是B//a的结果显示了低温下一个新的磁场诱导相和高场下一个特殊的四相临界点。（3）利用极低温强磁场下热导率、磁化率、比热测量，揭示了量子自旋液体候选材料Na2BaCo(PO4)2和YbMgGaO4的巡游自旋子激发、量子自旋态转变及磁场―温度相图。（4）研究了Tb2Ti2-xZrxO7单晶的低温热导率与霍尔热导率，发现Tb2Ti2O7在零场中具有自旋―声子散射所导致的极低声子热导率，外加磁场可以显著增大热导率；Tb2Ti2O7在低温下显示出巨大的热霍尔效应且霍尔热导率具有非单调的磁场依赖关系，表明该体系的热霍尔效应来自自旋子激发传导。这些研究结果为深入理解自旋阻挫材料的物理机制提供了必要的实验基础。共发表SCI论文33篇，包括2篇Nat. Commun.和17篇Phys. Rev.；培养6名博士生和1名硕士生，其中3名博士生已经完成学位论文答辩并获得博士学位；在国内大型学术会议做邀请报告2次。