低温变流磁化率的测量装置及其在关联电子材料中的应用

交流磁化率测量是一种重要的物性测量手段,广泛应用于凝聚态物理中。该测量方法本身对材料性质的影响很小,因此可以在多种外部条件下顺利完成测量工作,有效的拓展材料在各种外部条件下的相图,其中包含频率、磁场、温度等。关联电子材料因具备丰富的奇异电子特性,成为固体物理研究的重点研究对象。这些材料中的电子产生相互作用,并对物性有支配作用,通过外界手段的影响可以改变这种相互作用,进而有效的调控材料的物理性质,促进新的物理现象的产生。

关联电子材料的自旋态限域调控与自旋电子器件应用研究进展

关联电子材料具有丰富的自旋序,包括铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁序等,这些自旋序与电子轨道态、电荷空间分布等其他量子态存在强烈耦合,因而可以通过外场来实现不同自旋序的时域和空域调控。相对于存在化学界面的传统异质结构,在关联电子材料中利用外场限域调控,可以实现无化学界面的不同自旋序结构的空间可控排列,从而构筑基于同一材料的新型自旋电子器件。本项目围绕关联电子体系多量子态的调控规律展开,通过自旋电子学与量子物理、表面物理以及电介质物理的交叉,探索具有多场(磁场、电场、光场、应变场)可控性的新型关联自旋电子材料,发展新型的多场调控技术,揭示自旋序与量子态耦合机理,设计新型自旋电子器件,进而实现在同一关联电子材料中集成非挥发性自旋存储与逻辑运算功能。

关联电子材料中磁激发的非弹性中子和X射线散射探测

在关联电子体系中,多种形式的磁性相互作用可能会诱导产生丰富的磁性基态,包括反铁磁莫特绝缘体、反铁磁洪特金属、量子自旋液体、低维量子磁体等.为了理解这些基态产生的微观机制及相关物理,首先需要测量其中的磁激发,通过对磁激发的动力学结构因子进行理论建模和分析可以获得其中自旋-自旋相互作用的详细信息.目前,人们已经发展了多种实验技术来测量磁性体系中的自旋动力学.在这些探测手段中,非弹性中子散射(Inelastic Neutron Scattering,INS)和共振非弹性X射线散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering,RIXS),已经被证明是在大范围动量和能量空间中测量磁激发的最有力的、互补的两种实验手段.INS测量磁激发在理论和实验方面都已经发展得相当成熟,但实验中通常需要大量的单晶样品,而RIXS是一种正在快速发展的实验技术,最大的优点之一是可以测量包括薄膜和异质结在内的很小的单晶样品.在本文中,我们主要讨论了INS和RIXS在研究几类典型强关联材料时的比较和互补性.INS和RIXS结合将使我们能够测量包含低维材料在内的几乎所有磁性关联电子材料中的磁激发,进而促进这些材料中关键科学问题的最终解决.

庞磁电阻材料的研究进展

20世纪自旋电子学的高速发展以及对强关联电子材料的进一步研究使得具有庞磁电阻效应的稀土掺杂锰氧化物成为凝聚态物理和功能材料研究的重要领域。锰氧化物的载流子自旋极化率高，在居里度附近有很大的磁电阻效应，因此在自旋电子学中有潜在应用前景。锰氧化物是典型的强关联电子材料，它对目前有关强关联体系的认识提出了很大挑战。本文介绍了锰氧化物所具有的包括庞磁电阻效应在内的各种效应及其可能的应用。

MnO的电子结构

采用杂化密度泛函方法对MnO的电子结构进行了研究。结果表明,杂化密度泛函方法明显改进了理论与实验的符合,MnO为电荷转移绝缘体,采用离子模型能较好地解释其电子结构。

关联体系多种量子有序态的竞争与调控

对关联电子材料中复杂量子有序态的调控研究将加深人们对材料基本现象与规律的认识,并促使产生新的关键技术和器件。本文对量子材料中复杂有序态的探测与调控进行了介绍和总结。在量子有序态测量相关的实验技术与仪器创新方面详细介绍固体离子导体门电压调控和弹性软X射线共振散射两种新型技术手段,并以自旋液体态和轨道密度波为例介绍新奇量子态的实验探测进展,同时还以铁基超导体及铈基4f电子体系为例系统介绍量子态的相互作用和调控研究。这些系统性的研究成果能够加深人们对相关关键科学问题的认识,并为未来的应用奠定基础。

量子材料中的有序现象及其调控的研究进展

关联体系中多种量子有序态的竞争催生了极其丰富的物理性质和相图,对它们的研究将加深人们对量子材料中基本现象和规律的认识。而对量子序调控机制的研究,将有可能产生新的关键技术和新原理原型器件。本综述介绍了国家重点研发计划项目"关联体系多种量子有序态的竞争与调控"执行两年来,在量子材料的自旋量子纠缠序、向列序、电荷序、轨道序、超导序和拓扑序等多种量子有序态的机理与调控研究中取得的主要进展。着重介绍发现了多种基于有机-无机杂化结构的超导体系和一系列含稀土元素的新型铁基超导体,在自旋液体中发现分数化的激发,对FeSe1-xSx中向列序与超导序相互作用和Li0.8Fe0.2OHFeSe表面电子结构和超导电性的研究,对重费米子体系中电子的局域行为和巡游行为的相互作用的研究,以及实现了固体离子门电压的调控技术并得到了多种体系的相图等重要发现。这些研究成果加深了我们对量子序的认识,建立了研究和控制量子序的手段,也为未来量子序的应用打下了基础。

铁基超导体磁激发的共振非弹性X射线散射研究

在铁基超导材料中,超导电性通常起源于对反铁磁母体的载流子掺杂.随着掺杂量的增加,反铁磁长程序逐渐被抑制,超导出现并在反铁磁序消失的边缘达到最佳Tc.在最佳和过掺杂区域,虽然已经不存在任何反铁磁长程序,但仍然存在很强的反铁磁涨落.在铜氧化物和铁基高温超导体中,很多实验证据表明自旋为1的反铁磁涨落极有可能是超导电子配对的媒介,而驱动这一配对的则是电子间的反铁磁关联.因此,从实验上研究铁基超导体的磁激发谱及其对掺杂的依赖关系,获得反铁磁关联能等信息,对理解铁基超导的微观机制至关重要.在过去十几年中,非弹性中子散射(Inelastic Neutron Scattering,INS)在测定铁基超导材料中的磁激发方面发挥了主导作用.在过去十年中,共振非弹性X射线散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering,RIXS),作为一种可以测量过渡族金属化合物中磁激发的实验技术,被用于铁基超导体中磁激发及其演化的研究.由于RIXS具有元素敏感、价态敏感、光通量高等优点,在铁基超导材料磁激发的相关研究中,发挥了独特的作用.本文从RIXS的特点出发,回顾了铁基超导体中磁激发的RIXS研究结果,讨论了RIXS在进行这些研究时表现出的优势和不足.通过这些讨论,本文强调了在铁基超导体元激发的研究中,利用RIXS独特优势的重要性.

轨道量子序的调制与应用

在特定条件下,关联电子材料中最外层电子的轨道在空间上有序排列,形成轨道量子序。伴随轨道量子序的构建和解构,关联体系中有着丰富的量子临界现象,蕴含着崭新的物理内涵,并有着重要的应用前景。文章从关联电子材料中轨道量子序的特征出发,介绍了轨道量子序的构建与解构中的一些基本物理问题,以及近年来在轨道量子序调制及应用方面的热点研究方向与研究进展。