电子自旋共振研究Bi_(0.2)Ca_(0.8)MnO_3纳米晶粒的电荷有序和自旋有序

利用溶胶-凝胶技术制备了不同晶粒尺寸的Bi_(0.2)Ca_(0.8)MnO_3,通过电子自旋共振研究了晶粒尺寸效应对Bi_(0.2)Ca_(0.8)MnO_3电荷有序和自旋关联的影响.电子自旋共振强度研究表明:晶粒尺寸的减小削弱了长程电荷有序转变,当晶粒尺寸减小到40 nm时,长程电荷有序转变完全消失;在顺磁区域,激活能随着晶粒尺寸的减小增加,表明铁磁耦合增强.所有样品线宽与温度曲线显示出典型的电荷有序特征,这表明在40 nm样品中短程电荷有序态仍然存在,电荷有序态强度不受晶粒尺寸减小的影响.在高温顺磁区域,居里-外斯温度随着晶粒尺寸的减小而降低,表明晶粒尺寸减小削弱了铁磁相互作用.因此,电荷有序态的压制不能归因于Bi_(0.2)Ca_(0.8)MnO_3纳米晶粒中铁磁双交换作用的增强.在纳米尺度的电荷有序锰氧化物中,无序的表面自旋破坏了表面反铁磁排列构型,从而引起了表面铁磁层.晶粒尺寸减小对长程反铁磁电荷有序的削弱比对短程铁磁有序的削弱更加显著,铁磁有序将逐渐占据优势,这使得电子自旋共振强度曲线上电荷有序转变峰消失.

Nd_(0.5)Sr_(0.5)Mn_(1-x)(Ga_x,Ti_x)O_3体系中的电荷有序与自旋有序

通过磁化强度和电子自旋共振测量,研究了Nd0.5Sr0.5Mn1-x(Gax,Tix)O3(0.04≤x≤0.4)体系的磁特性.发现用少量Ti替代Mn就完全破坏了系统的电荷有序(CO)相,并诱导出团簇自旋玻璃相,这显示了一个CO的坍塌和自旋有序(SO)相增强的过程.然而,用Ga替代Mn将导致系统CO相的融化.研究还发现,随着Ga替代的增加,CO相逐渐被抑制,但残留的CO相总是存在;而且在低温区反铁磁(AFM)CO相和铁磁(FM)SO共存.此外,还观察到磁化强度-温度曲线中磁化强度的急剧上升,并把这个反常现象归因于CO区域内从倾斜的AFMSO到FMSO的相变.

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。

多种有序钙钛矿结构的高压制备与特殊物性

具有ABO_3钙钛矿或类似结构的强关联电子体系是凝聚态物理研究的重要前沿领域,而高压是制备新型钙钛矿特别是A位与/或B位有序钙钛矿材料的有效手段.在这些有序钙钛矿中,因A,B位可同时容纳过渡金属离子,因而可导致A-A,B-B,A-B等多种磁电相互作用的出现,进而诱导系列新颖有趣的物理现象.本文介绍高压下制备的几种化学式为AA'_3B_4O_(12)的新型A位有序钙钛矿以及化学式为AA'_3B_2B'_2O_(12)的A,B位同时有序的钙钛矿体系.在LaMn_3Cr_4O_(12)中发现了具有立方钙钛矿结构的磁电多铁性,为多铁新材料探索与新机理研究提供范例;在CaCu_3Fe_2Os_2O_(12)中发现了远高于室温的亚铁磁半导体行为,并指出A位磁性离子的引入可大大增加磁相互作用强度从而大幅度提高磁有序温度;在LaMn_3Ni_2Mn_2O_(12)中观察到A位磁性离子调控的B位Ni^(2+)/Mn^(4+)子晶格正交自旋有序结构.以上研究结果为探索新型磁电多功能钙钛矿材料提供了重要参考.

单相多铁性材料--极化和磁性序参量的耦合与调控

单相多铁性材料是指同时表现出铁电性和磁性的单相化合物,最近的研究还拓展到具有铁性磁涡旋的体系.一方面,多铁性材料同时具有铁电性和磁性;更为重要的是,铁电性与磁性之间存在磁电耦合效应,从而可能实现铁电性和磁性的相互调控.因此,多铁性材料是一种新型多功能材料,在自旋电子学和其他领域有着广阔的应用前景.从凝聚态物理角度看,多铁性现象本身也对铁电学、磁学和强关联电子物理提出了很多基本问题和挑战,成为量子调控研究的一个热点领域.多铁性物理在最近几年开始复兴,并取得了很大进展.综述了多铁性物理这一领域的研究现状和存在的主要问题.首先,简单介绍多铁性与磁电耦合效应的概念以及它们之间的联系,重点阐述实现多铁性的困难,亦即铁电性和磁性的互斥性.其次,详细介绍了单相体系中实现铁电性与磁性共存的一些可能物理机制,其中重点介绍两个新的物理机制:(ⅰ)非共线螺旋状磁结构引起的铁电性和(ⅱ)电荷有序相导致的铁电性.这两类系统中磁性和铁电性之间在量子层次上存在很强的耦合和互相调控效应.随后,叙述了多铁性系统中存在的元激发——电磁振子,以及铁性磁涡旋效应.最后,指出了多铁性材料可能的应用以及尚未解决的问题.

量子顺电EuTiO_3材料基态磁性的第一性原理研究

EuTiO_3是钙钛矿结构的量子顺电体,实验发现其基态具有平面各向异性G类反铁磁结构,本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了EuTiO_3处于量子顺电相和应力作用下处于铁电四方相时可能的自旋取向和自旋交换耦合作用,分析了自旋耦合作用的路径,探讨了应力对磁性交换路径的作用,结果发现:当体系自由时,EuTiO_3具有自旋沿[110]方向平面内单轴各向异性的G类反铁磁结构,该结构下Eu离子4f电子自旋通过处于面心位置的O 2p实现自旋反铁磁性的超交换耦合,而在外加应力诱导的铁电四方结构下,由于自旋交换路径中Eu—O—Eu键角改变,Eu 4f电子自旋实现了[110]方向的铁磁交换耦合。