三角晶格阻挫反铁磁体量子态的强磁场、高压调控及核磁共振研究

The Heisenberg antiferromagnet with the triangular lattice is one of the most representative and widely studied frustrated spin systems. The research into its physical property is very important for understanding exotic quantum states, most notably spin liquids, unconventional superconductivity, correlated electron systems with complex magnetic order, et al. However, the phase diagram, spin dynamic and thermodynamic properties of the spin system on triangular lattice is still far from conclusion, as a result of the absence of proper theoretical approximations, the limitations of numerical approaches and the lack of clean samples for experimental study. In this project, we will employ extreme conditions of high magnetic field, ultra- low temperature and high pressure to tune the quantum states of the strongly frustrated magnets Ba3MN2O9 (M=Co/Ni, N=Sb/Nb) and Ba3CuSb2O9, and use condensed matter nuclear magnetic resonance to study the novel magnetic states and excitations triggered by applied extreme conditions. Through this project, we expect to systematically investigate the rich physical phenomena caused by the magnetic frustration effect and their evolution, clarify the competitions between different interactions, and try to unravel their underlying physics. This project is expected to provide critical experimental information towards the in-depth understanding of exotic quantum states and excitations in the strongly frustrated magnets with triangular lattice.

具有三角晶格的海森堡反铁磁体是阻挫磁性研究中最具有代表性、研究最为广泛的自旋体系之一。其物性研究对于理解以自旋液体为代表的新奇量子态、非常规超导电性、具有复杂磁有序的关联电子体系等具有重要意义。但由于合适理论近似的缺乏，数值模拟的局限以及材料合成中的多种困难，目前的研究对这一典型强关联电子体系的相图、自旋动力学及热力学行为尚缺乏系统的认识。本项目将结合强磁场、极低温及高压综合极端条件，对三角晶格强阻挫反铁磁材料Ba3MN2O9（M=Co、Ni，N=Sb、Nb）及Ba3CuSb2O9的量子态进行调控，并利用刚刚建成的强磁场凝聚态核磁共振手段探测材料中出现的新奇磁性态、磁性激发，系统研究材料中由自旋阻挫效应带来的丰富物理现象及其演化行为，阐明各种相互作用之间的竞争关系，澄清其背后的物理机制。本项目的实施将为深入理解三角晶格强阻挫反铁磁体中出现的新奇量子物态、量子激发提供关键实验依据。

具有三角晶格的海森堡反铁磁体是阻挫磁性研究中最具有代表性、研究最为广泛的自旋体系之一。其物性研究对于理解以自旋液体为代表的新奇量子态、非常规超导电性、具有复杂磁有序的关联电子体系等具有重要意义。但由于合适理论近似的缺乏，数值模拟的局限以及材料合成中的多种困难，目前的研究对这一典型强关联电子体系的相图、自旋动力学及热力学行为尚缺乏系统的认识。本项目主要利用极端条件凝聚态核磁共振方法，针对几类典型的几何阻挫量子磁体，研究自旋体系在极低温下的基态与低能自旋激发性质，确定材料在极低温下是否具有磁有序基态或诸如量子自旋液体态等的新奇量子态，并研究量子态与低能自旋激发在磁场、高压调控下的演化行为。. 在本项目的支持下，我们确定了三角晶格阻挫反铁磁体Yb(BaBO3)3具有强关联量子无序基态，自旋体系在极低温下仍存在着非常强烈的低能自旋激发；在畸变共顶点三角晶格量子材料Pr3BWO9中发现了一种短程集体自旋激发新模式，并确定了材料的cooperative paramagnet基态；在畸变共顶点三角晶格量子材料Sm3BWO9中观测到自旋体系在低温下的非公度自旋有序基态，并基于群论与局域晶体对称性提出了两种可能的自旋有序构型；研究了准一维海森堡自旋链体系中的自旋子-磁振子激发行为， 利用外加磁场实现了对该量子自旋体系中分数化的自旋子、整数的磁振子激发的调控；对“扶手状”的链式晶体结构的Ni2NbBO6材料的核磁共振研究确认了其低温下的反铁磁有序构型，并在实验上从自旋耦合强度的角度证实该材料是一种强链间铁磁耦合的自旋链材料。在实验研究过程中，我们还提出了一种新型的核磁共振谱仪系统拓扑架构。. 上述结果为深入理解几何阻挫量子反铁磁体中由阻挫效应诱导出现的新奇量子物态与自旋激发提供重要实验依据，为理解自旋体系的单离子各向异性、自旋偶极相互作用以及晶格畸变等对材料基态的重整化作用提供了丰富的数据支持，同时为国内凝聚态核磁共振谱仪系统的研制提供了一定的参考。在项目支持下，发表科研论文5篇（包括Phys. Rev. B 3篇，Chin. Phys. B 1篇，Chin. Phys. Lett. 1篇），获得国家发明专利授权1项。