几何阻挫过渡金属化合物的电子磁共振研究

Geometry frustrated transition metal compounds belong to the strongly correlated electron system. They have become a hot topic in contemporary condensed matter physics because they host a variety of quantum phenomena due to the combined effect of the strong coupling among charge, spin, orbital and lattice degrees of freedom and the geometry frustration. The coupling among multiple degrees of freedom often results in short-range ordering and fluctuating states. Moreover, the physics behind those exotic quantum phenomena is far from fully understanding in this system. Both questions require us to further investigate the geometry frustrated transition metal compounds with the help of the microscopic technique and method. In this project, we plan to use the EMR system of the steady high magnetic field facility, which has the high-field high-frequency and low-temperature capability, to conduct a comprehensive EMR study of geometry frustrated transition metal compounds. We will extract the information of spin correlations, spin excitations, and spin dynamics through analyzing the EMR spectrum such as the frequency-field relation of the resonance field, the temperature/angle dependence of the resonance field, the half width, the linetype, and intensity. This project is expected to promote our understanding of the cooperation and competition among charge, spin, orbital and lattice degrees of freedom and provide critical experimental information to unravel the underlying physics behind those exotic quantum phenomena in geometry frustrated transition metal oxides.

几何阻挫过渡金属化合物属于强关联电子体系，一方面存在电荷、自旋、轨道和晶格等多个自由度之间的强烈耦合, 另一方面由于几何阻挫使得涨落异常强烈，两者的共同作用导致格外丰富的量子物性，已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。多种自由度的耦合常导致短程有序和涨落，对体系中奇异量子物性背后物理机制的理解也还不完全，这些都要求进一步利用微观的研究技术和方法进行研究。本项目拟利用稳态强磁场大科学装置的具有开展高场高频和低温结合实验能力的电子磁共振系统，系统研究几何阻挫过渡金属化合物的电子磁共振谱，通过分析电子磁共振谱中共振场的频率—磁场关系，以及共振场、线宽、线形、共振强度等参数随温度、角度的变化，探测体系中的自旋关联、自旋激发以及自旋动力学等重要微观层面信息，为深入理解几何阻挫条件下电荷、自旋、轨道和晶格等多个自由度之间的合作与竞争，揭示奇异量子物性的物理机制提供关键实验信息。

几何阻挫过渡金属化合物属于强关联电子体系，一方面存在电荷、自旋、轨道和晶格等多个自由度之间的强烈耦合, 另一方面由于几何阻挫使得涨落异常强烈，两者的共同作用导致格外丰富的量子物性。本项目这对这一类化合物，利用磁性、电性、热力学性质测量，以及电子磁共振、核磁共振的手段，对体系中的自旋关联、自旋激发以及自旋动力学等重要微观层面信息展开研究。项目成功制备了AgCrS2、Cr(Si,Ge)Te3，Fe3GeTe2等准二维几何阻挫化合物、CH3NH3Cu(HCOO)3等准一维反铁磁自旋链、Y型六角铁氧体Ba0.5Sr1.5Zn2Fe11.4Cr0.6O22等一系列具有阻挫效应的材料，获得了这些材料中的自旋关联、自旋激发以及自旋动力学行为等微观层面重要实验信息：.1）在准二维几何阻挫材料中，实验发现其自旋涨落更为强烈，引发新奇的自旋激发和复杂的自旋动力学行为，例如AgCrS2中的Z2型涡旋，铁磁和反铁磁涨落的共存和竞争，Cr(Si,Ge)Te3体系中从二维到三维的度越，Fe3GeTe2中的各向异性反常霍尔效应等。.2）在准一维反铁磁自旋链材料CH3NH3Cu(HCOO)3中发现磁场导致的自旋激发从量子自旋子束缚至经典磁振子的新奇现象。.3）通过Cr掺杂成功对Y型六角铁氧体Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22中的自旋关联进行调控，将磁电耦合的温度提高到250K，并实现了零场下的磁电耦合效应，描绘出这一材料自旋关联的变化。.这些结果为理解几何阻挫条件下电荷、自旋、轨道和晶格等多个自由度间的合作和竞争，揭示其奇异量子物性背后的物理机制提供了实验基础。.在本项目的支持下，一名博士研究生、一名硕士研究生顺利毕业。本项目支持的工作共计发表SCI论文10篇，其中Physical Review B二篇、Applied Physics Letters、Journal of Physics: Condensed Matter一篇、Journal of Materials Chemistry C一篇，另外还有三篇论文在投稿中。