新几何阻挫物质M_2(OH)_3X的新颖量子磁性———磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2(OH)3X[M=Cu,Co,Ni,Mn,Fe etc.;X=Cl,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。

磁几何阻挫材料天然绿盐铜矿的中红外和拉曼光谱分析

在室温情况下,利用FTIR光谱仪测得了天然磁几何阻挫材料绿盐铜矿(Atacamite,β-Cu2(OH)3Cl)的中红外光谱4 000～400 cm-1,同时还通过激光显微拉曼光谱仪获得了它的拉曼光谱4 000～95 cm-1。结合它的晶体结构参数,确认了官能团区4 000～2 500～1 000 cm-1和指纹区1 000～550～200～95 cm-1的特征峰以及探索它的微观起源。将五个不同的区域分别指认为:取决于羟基整体环境3Cu≡O—H…Cl的羟基伸缩振动νO—H4 000～2 500 cm-1;由羟基弯曲振动模式基频所产生的泛频(合频或倍频)2 500～1 000 cm-1;由δCu—O—H和δO—H…Cl组合的羟基弯曲振动模式δO—H1 000～550 cm-1;较强的键平面CuO4单元振动模式550～200 cm-1;以及较弱的键线性三原子链Cl—Cu—O/Cl振动模式200～95 cm-1。谱带指认时紧密结合晶体的结构参数,从而较为合理建立了其分子结构和光谱特性之间的关系。

五边形格点的几何阻挫和热力学性质

利用伊辛模型和热力学配分函数研究了由正三角形和正四边形构成的五边形的阻挫现象、自旋关联和磁化微观过程。研究表明:五边形格点中存在阻挫现象;交换强度与磁场的竞争会导致磁矩出现磁化台阶;磁化过程中的微观态会随着交换强度或磁场强度变化出现振荡。

磁几何阻挫材料羟基氯化钴的中红外光谱特征

使用3种光谱仪测量了磁几何阻挫材料羟基氯化钴Co2(OH)3Cl的中红外(4000—400cm-1)吸收光谱,筛选出确信为Co2(OH)3Cl的本征吸收峰数据,结合已知的晶体结构参数,指认了官能团和指纹区相应谱峰的来源.在指认中着重探讨了羟基伸缩振动基频模vOH的具体实验数据,根据固体中氢键的特点,以Co3—O平均距离为基准,推算了本样品Co3—OH集团的"自由"vOH,并以此为参考数值,得到了156cm-1的本征红移,从理论上确认了本质上不可忽略的弱氢键的存在,继而发现了本物质中存在晶体材料领域极少有人报道的三聚氢键,即一个Cl离子受体与三个独立的羟基给体形成基本对称的3个氢键,并建议性地指出了该氢键的重要性所在.

量子自旋液体的实验研究进展

量子自旋液体是指由于其中存在的强量子涨落导致自旋即使在零温极限下也不形成磁有序的一种新的自旋量子态.区别于传统的磁有序材料,它的基态没有确定的序参量来表示,并且不伴随任何自发的对称性破缺,超越了朗道相变理论所能描述的物相范畴,代表了一种新奇的量子物态,具有非常高的理论研究价值.这一全新的物态被认为与非常规超导机制之间有着十分紧密的关系.同时在未来的量子计算方面有着非常诱人的应用前景,因此一直以来备受关注.虽然量子自旋液体理论经过近半个世纪的积淀有了长足的发展,但是由于候选材料稀少,实验测量条件苛刻等多种因素制约,导致实验方面的进展相对缓慢.近年来各项实验技术的进步和成熟为量子自旋液体候选材料的测量表征提供了有利条件,加快了实验工作的推进速度.本文将从实验的角度介绍(1)几何阻挫量子自旋液体候选材料,包括三角晶格化合物YbMgGaO4和YbZnGaO4、κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3、EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2和kagomé格子化合物ZnCu3(OH)6Cl2;(2) Kitaev量子自旋液体候选材料铱氧化物(Na2IrO3与α-,β-,γ-Li2IrO3)和α-RuCl3.文章将着重介绍近年来在量子自旋液体实验方面的进展,之后做一个简单的总结,最后对量子自旋液体的未来发展做一个展望.

强关联电子系统中的热输运测量

当考虑电子间的库伦排斥相互作用,以及电荷、自旋和轨道之间的相互耦合时,诸多超越了近自由电子框架的新奇量子态涌现而出,如非常规超导态和量子自旋液体等。对这些新奇物态的认知不仅会拓展现有的知识框架,也有望引发新一轮的量子科技革命。因此,对强关联物理的研究是当下凝聚态物理领域的前沿课题。铜基高温超导体的母体是一种莫特绝缘体,在传统的能带论之下被预言为金属态。然而电子间的强关联行为使得它表现出绝缘体的性质。由于莫特绝缘体中库伦相互作用致使能隙打开并冻结其中的电荷自由度,所以在该体系中难以开展电输运性质的测量研究。作为一种对于元激发(不仅包括电子,还包括磁振子、自旋子等)敏感的探针,热输运测量在强关联电子系统的研究中发挥着重要的作用。本文回顾了近些年在非常规超导、重费米子系统和量子自旋液体研究中一些有趣的纵向热输运性质的研究成果,并与我们近期发表的运用横向热导率测量热霍尔现象的综述文章相互补充。