层状铱氧化物中自旋轨道相互作用影响的研究

The layered iridates have become a fertile ground for studies of physics driven by strong spin-orbit interactions. This physics is embodied by a large array of phenomena observed recently, such as the unusual Mott insulator Sr2IrO4. The strong spin-orbit interaction competes with Coulomb and other interactions, and it can no longer be treated as a perturbation as is in many other materials where the magnetic interaction is dominated by the spin degree of freedom alone. The electronic structure induced by the strong spin-orbit coupling is discovered recently. However, the mechenism of some phenomenon such as giant magnetoelectric effect and metal-insulator transition need to be intensivly intivestigated. We find that the novel magnetic and transport properties are related to the competition between the spin-orbit coupling, electron-electron and electron-phonon interactions. We plan to change the gap by doping, and then study the relation between spin, charge, lattice and orbit degrees of freedom in layered iridates.

具有强自旋-轨道相互作用的层状铱氧化物表现出了丰富而新奇的物理性质，例如最近发现的反常莫特绝缘体Sr2IrO4.由于体系中自旋-轨道相互作用与其它关联能大小相近并且互相竞争，因此不能把自旋-轨道相互作用当做一项微扰来考虑，此时磁相互作用的大小不仅仅是由自旋自由度决定的。目前国际上研究了强自旋-轨道相互作用对体系电子结构的影响，但是仍然不能对一些现象如巨磁电效应和金属-绝缘体转变给出明确的解释。通过研究，我们注意到体系中复杂的磁性和输运性质与自旋-轨道相互作用、库仑相互作用和电-声子相互作用间的竞争有关。本项目拟通过研究层状铱氧化物掺杂后能隙的改变来研究自旋、电荷、晶格和轨道自由度间的关系。

在本研究项目中，我们对具有强自旋-轨道相互作用的铱氧化物的磁性和输运行为进行了深入的研究。我们通过研究Sr2IrO4的宏观磁性，首次证明了其磁性取决于有效总角动量J。通过分析Sr2IrO4的临界行为，我们给出其内部的微观磁相互作用是一种介于短程和长程相互作用之间的相互作用。通过掺杂效应，我们研究了不同半径离子与Ir离子间的相互作用变化。通过在9T的磁场中合成样品，我们分析了强磁场在合成样品中的作用。通过这些研究，我们对具有强自旋-轨道相互作用材料内部的相互作用有了更深入的认识。本项目按计划执行，达到了预期的研究目标，解决了项目计划中所提出的科学问题。在此研究项目的资助下已发表SCI学术论文9篇，部分研究成果正在整理发表中。