S = 1/2的J1-J2阻挫自旋链材料的基态和量子相变研究

The S = 1/2 frustrated spin chain materials have rich ground states and exotic magnetic properties, and exhibit interesting phenomena, such as spin Peierls transition, multiferroicity, fractional spin excitations, novel spin nematic phases in external magnetic field. This project mainly studies S = 1/2 frustrated spin chain materials LiCuSbO4, PbCu(SO4)(OH)2, and Ca2Y2Cu5O10 and focuses on their magnetic structures, magnetic properties of ground states, and quantum phase transitions inducing by external magnetic field or chemical doping. We plan to grow high quality single crystals by optical floating zone or flux method and grow chemically doped crystals to adjust magnetic structures as well as exchange coupling constants. Magnetic structure transition, mechanism of quantum phase transitions and quantum critical phenomena will be studied by measuring magnetization, specific heat and heat transport at low temperature and in high magnetic field. These studies can reveal the roles of quantum fluctuation, spin frustration, anisotropy and chemical doping in magnetic phase transition and quantum critical phenomena, and are helpful for our understanding on quantum magnetic physics.

S = 1/2的J1-J2阻挫自旋链材料具有丰富的基态和奇特的磁性质，表现出自旋Peierls相变、多铁性、分数量子激发和外磁场中新奇的自旋向列相等有趣现象。本项目以LiCuSbO4、PbCu(SO4)(OH)2、Ca2Y2Cu5O10等典型的S = 1/2的J1-J2阻挫自旋链材料为主要研究对象，以这些材料的磁结构特征、基态磁性质以及磁场和掺杂诱导的量子相变为主要研究内容，主要使用光学浮区法或者助溶剂法生长高品质的单晶并制备化学掺杂的单晶，调节材料的磁结构和磁交换相互作用，利用低温强磁场下的磁性、比热和热输运等测量手段研究磁结构转变、量子相变机制和量子临界现象。通过这些研究揭示量子涨落、自旋阻挫、各向异性、化学掺杂等因素对磁结构、量子相变和量子临界现象所起的作用，从而拓展和深化我们对量子磁性物理的认识。

S = 1/2的J1-J2阻挫自旋链材料具有丰富的基态和奇特的磁性质，表现出自旋Peierls相变、多铁性、分数量子激发和外磁场中新奇的自旋向列相等有趣现象。本项目以典型的S = 1/2的J1-J2阻挫自旋链材料Ca2Y2Cu5O10为主要研究对象，同时研究了S = 1/2的一维金刚石链模型材料Cu3(CO3)2(OH)2、自旋能隙材料(CH3)2CHNH3CuCl3 (IPA-CuCl3) 和二聚化能隙材料(CH3)2NH2CuCl3等相关的一维自旋链体系材料，以这些材料的磁结构特征、基态磁性质、磁场和掺杂诱导的量子相变以及量子临界现象为主要研究内容。取得的主要进展包括：（1）IPA-CuCl3在极低温下的磁激发热输运可以用T3进行拟合，具有弹道输运的特征，该体系在反铁磁态仍然存在能隙。（2）低温磁比热是研究Cu3(CO3)2(OH)2体系1/3平台精细结构和磁场诱导量子相变的有效手段，该体系的热输运可以用磁激发对声子的共振散射过程较好描述。（3）随着Br对Cl替代量的增大，(CH3)2NH2CuCl3中的反铁磁二聚化被解除，体系演变成铁磁态，自发反铁磁有序相和磁场诱导有序相被显著抑制。共发表SCI论文10篇，其中包括3篇Phys. Rev. B、1篇J. Phys.-Condes. Matter、1篇Appl. Phys. Lett.和1篇英文综述论文。通过这些研究揭示了量子涨落、自旋阻挫、各向异性、化学掺杂等因素对磁结构、量子相变和量子临界现象所起的作用，从而拓展和深化我们对量子磁性物理的认识。