极端条件下稀土铁石榴石磁性和磁光特性的机理研究

极端条件下的物质特性研究是当前凝聚态物理研究的热点之一。近年来，实验发现稀土石榴石在强场、低温等极端条件下出现了一些不同于非极端条件下的新的磁和磁光特性。然而，鉴于稀土石榴石材料磁结构的复杂性及极端条件的特殊性，这些现象产生的物理机理仍不完全清楚。本项目以稀土铁石榴石为研究对象，采用量子理论，结合蒙特卡罗模拟和第一性原理方法，深入探讨材料微结构、材料内部的晶场效应、自旋-轨道耦合及（间接）交换作用等因素对稀土铁石榴石磁和磁光特性的影响；揭示极端条件下法拉第旋转的光损耗、磁光效应的非线性、磁和磁光的各向异性等磁和磁光特性产生的微观机理，建立相关理论模型；研究离子掺杂对稀土铁石榴石极端条件下的磁和磁光特性的影响，通过与实验数据的比较，寻求离子掺杂规律；为探索应用于可见光等区域的温度系数小，光吸收低且法拉第旋转更大的新型磁光材料提供理论依据，为非线性磁光器件等新型磁光器件的开发应用奠定理论基础。

极端条件下的物质特性研究是当前凝聚态物理研究的热点之一。稀土石榴石材料作为一种重要的磁光材料，其在磁光器件、磁光存储、磁光传感以及光信息处理，光钎通讯等领域都有较为广泛的应用，对其磁光机理分析也较为成熟。本项目研究了极端条件下稀土石榴石材料以及一些典型的稀土氟化物所呈现的与非极端条件下不同的一些磁和磁光特性。从理论上分析了稀土镓石榴石和铁石榴石强磁场下的磁性各向异性，提出了强磁场下相应的模型，讨论了稀土氟化物材料低温下的反常磁化行为，研究了抗磁性离子掺杂对稀土铁石榴石材料磁性和磁光特性的影响；应用第一性原理分析了稀土铁石榴石材料的微观结构，进行了结构优化，探讨了离子掺杂对其能级、态密度的影响。项目很好地完成了预期研究内容，揭示了强磁场条件下稀土铁石榴石磁和磁光特性的微观机制，建立了相应的理论模型——三磁次晶格模型和磁光四能级模型，得到了离子掺杂影响稀土铁石榴石材料磁性和磁光特性的微观机理，解释了相关材料的特性。项目的主要特色和创新之处体现在以下几个方面（1）建立了强磁场下稀土铁石榴石磁特性计算的磁次晶格模型；（2）提出了NdF3材料反常磁行为产生的微观机制；（3）得到了抗磁性离子掺杂影响稀土铁石榴石材料的磁性和磁光特性的物理规律；（4）提出了研究稀土铁石榴石材料物性分析的第一性原理计算方法。项目研究成果将为极端条件下稀土铁石榴石材料的磁性和磁光特性的理论研究提供进一步指导，为探索应用于可见光等区域的温度系数小、光吸收低且法拉第旋转更大的新型磁光材料提供理论依据，为非线性磁光器件等新型磁光器件的开发应用奠定理论基础。