稀土过渡金属氧化物单晶中的自旋开关效应及磁有序调控机理

The spin-based physical properties provide us with an unprecedented chance to pursue emerging functional materials and devices. In rare earth transition metal oxides in the form of RMO3, where R is a rare earth element and M is transition metal element, which could be Fe, Mn and Cr, etc. There are two different magnetic lattice points, namely, R and M, which involves many R-R, R-M and M-M complex 4f-3d electron interactions, resulting in various magnetic phase changing and spin switching and magnetic-electric modulation effects. These effects have been widely investigated both experimentally and theoretically; however, its microscopic mechanisms are still not clear so far. In this project, we will dope different elements on both R and M sites to affect the 4f-3d electron interaction and coupling competition of magnetic lattice in RMO3, and then realize the controlling of magnetic orders. There are many challenges to theoretically calculate the electronic structures and magnetic properties of rare earth elements related materials, for instance, the pseudopotentials and basis sets are either still lack or less accurate for many elements. We will generate and optimize a pseudopotential-basis database for rare earth element calculations from first principles, and further calculate and analyse the formation and competition of magnetic orders in RMO3. In experiments, we will employ a high throughput and quasi-continuous composition crystalline growth technique to fabricate high quality crystal samples with various compositions, and systemically investigate their magnetic orders and spin flipping effects under multi-filed, including electric, magnetic and thermal fields. With the combined studies from both experiments and calculations, we will have an in-depth understanding on the microscopic mechanisms of spin switching effect as well as some other magnetic structure related properties of RMO3, and reveal the spin control mechanisms.

稀土过渡金属氧化物RMO3（R=稀土元素，M=Fe, Mn, Cr等）中有R和M两个磁晶格，涉及R-R, R-M, M-M等多种复杂的4f-3d电子相互作用，导致丰富的磁相变和自旋开关效应，并呈现有趣的磁电调控现象，是丰富量子材料的重要研究领域，但其微观机制尚不清楚。本项目通过不同R或M元素掺杂来调节RMO3中的4f-3d电子相互作用及磁晶格间的耦合竞争，从而实现对磁有序态的有效调控。针对稀土元素磁性电子结构的理论计算面临许多挑战，我们将生成和优化适用于稀土元素第一性原理计算的赝势和基组，建立理论模型，模拟并分析各种自旋构型的形成和相互竞争。采用高通量准连续成分单晶制备技术，获得多种组分的系列高质量单晶样品，系统研究它们在电场、磁场和温度等多重组合物理场下的磁有序构型和自旋翻转的实验规律及调控方法。实验和计算紧密配合并相互验证，深入理解自旋开关效应的微观机制及磁构关系，揭示磁有序调控机理。

在本项目为期四年的研究实施期间，课题组按照项目计划任务书的内容，基于大量的高质量单晶实验样品制备和物性测试分析，完成了规定的年度研究计划，实现了课题研究的预期目标。稀土过渡金属氧化物RMO3（R=稀土元素，M=Fe, Mn等）中有R和M两个磁性子晶格之间复杂的4f-3d电子相互作用，导致丰富的磁电相变和自旋开关效应。本项目通过不同稀土离子和过渡金属离子掺杂来调节RMO3中的4f-3d电子相互作用及磁晶格间的耦合竞争，从而实现对磁有序态的有效调控。我们创新实验方法，发明了高通量准连续成分单晶制备技术，成功制备出高质量反铁磁稀土氧化物RFeO3体系单晶系列样品，通过表征其磁电性质、极低温强磁场中的超快太赫兹光与磁有序相互作用等效应，扩展了量子光学中单模光场与全同的N个二能级原子相互作用的含义，将此概念延伸到固态磁性材料系统中，通过太赫兹光谱实验以及理论计算模拟，从多角度分析讨论了这种相互作用存在于磁性固体中。结合实验和理论分析，对多种奇异磁相变行为及光与材料体系中的磁子强耦合作用进行了合理的解释，建立了较为清晰的物理图像。对存在于RFeO3中的自旋开关效应，根据该体系中的稀土离子和铁离子两个磁性子晶格的不同构型及其耦合的变化规律，提出了该体系中两类自旋开关效应分类方法。对于自旋重取向相变，综合上世纪六七十年代至今该体系相关的实验数据以及本课题组十多年来的最新实验结果总结出较为完整的RFeO3体系自旋组态及不同磁性子晶格耦合相图，对稀土过渡金属氧化物体系有了更为全面和深入的认识，揭示了反铁磁稀土铁氧化物体系具有潜在应用前景的自旋开关效应和超快光磁相互作用及其物理机制。.相关研究结果在包括Science, Applied Materials Today, Physical Review B, Applied Physics Letters, Ceramics International等在内的国内外重要学术期刊共发表论文46篇，其中SCI收录论文45篇，中文期刊3篇（其中《物理学报》2篇为SCI收录论文），项目组成员作为通讯作者或共同通讯作者38篇，其他8篇。国家自然科学基金项目第一标注22篇，第二标注11篇，第三标注7篇，其他标注6篇等。授权国家发明专利1项。出版学术著作1部。指导博士后1人，培养博士生1名，硕士生15名。参与主办国际会议4个，32人次参加国际会议4个。