自旋液體材料的低溫?zé)醾鲗?dǎo).pdf

1、具有幾何阻挫效應(yīng)的自旋體系是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的研究方向之一，它因具有多種奇特的基態(tài)性質(zhì)和量子相變行為而成為尋找新的量子態(tài)的理想載體。其中自旋液體尤其是量子自旋液體成為目前備受關(guān)注研究熱點(diǎn)，它不僅有助于在理論上解釋高溫超導(dǎo)體的機(jī)理，而且它的拓?fù)湫再|(zhì)將有可能實(shí)現(xiàn)在量子信息上的應(yīng)用。關(guān)于該方向的理論研究已經(jīng)持續(xù)了多年，但實(shí)際上直到最近才在實(shí)驗(yàn)中找到一些可能的量子自旋液體材料。
　　 我們細(xì)致地研究了燒綠石結(jié)構(gòu)Tb2Zi2O7

2、和稀土硅酸鎵鑭系的Nd3Ga5SiO14的極低溫?zé)彷斶\(yùn)性質(zhì)。在這兩類材料中，磁性離子間的相互作用導(dǎo)致的幾何阻挫使得系統(tǒng)在低溫下產(chǎn)生高度的簡(jiǎn)并態(tài)，有可能形成自旋液體態(tài)。低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下熱輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量是研究量子基態(tài)性質(zhì)和自旋—聲子耦合的有效手段，可以為我們深入理解自旋液體的本質(zhì)特征提供更多的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　 第一章綜述了阻挫磁性材料及自旋液體態(tài)相關(guān)的研究進(jìn)展。在本章中首先詳細(xì)介紹了具有自旋液體態(tài)的阻挫磁性材料的研究進(jìn)展;其次介紹了燒綠

3、石結(jié)構(gòu)Zb2Zi2O7的基態(tài)性質(zhì)和研究進(jìn)展;之后介紹了三方結(jié)構(gòu)Nd3Ga5SiO14的基態(tài)性質(zhì)及研究進(jìn)展;最后簡(jiǎn)單介紹了熱傳導(dǎo)的基本知識(shí)。
　　 第二章主要介紹了使用光學(xué)浮區(qū)爐制備高品質(zhì)的R2Ti2O7(R=Gd，Tb，Dy,Ho，Y, Er, Yb，Lu)和y3+離子摻雜的Tb2-xYxTi2O7(x=0.2，1.0，1.6)單晶，并對(duì)單晶的生長(zhǎng)條件進(jìn)行了細(xì)致的研究。發(fā)現(xiàn)合適的生長(zhǎng)速度以及氧氣壓力對(duì)獲得高品質(zhì)單晶至關(guān)重要，而且

4、不同的R2Ti2O7單晶的生長(zhǎng)條件隨稀土離子的不同表現(xiàn)出一定的規(guī)律。利用X射線衍射及勞厄照相等手段驗(yàn)證獲得的R2Ti2O7及Tb2-xYxZi2O7單晶的質(zhì)量，通過磁化率及比熱測(cè)量等實(shí)驗(yàn)手段研究了R2Ti2O7體系單晶的低溫性質(zhì)。此外，為探測(cè)非磁性Y3+離子摻雜對(duì)自旋液體基態(tài)性質(zhì)的影響，對(duì)Zb2-xYxZi2O7單晶的磁化率，比熱以及熱導(dǎo)率等性質(zhì)做了細(xì)致地研究。
　　 第三章主要介紹了Tb2Zi2O7單晶低溫?zé)彷斶\(yùn)性質(zhì)的研究，發(fā)

5、現(xiàn)該材料在零場(chǎng)低溫下表現(xiàn)出類“聲子玻璃”的熱導(dǎo)率行為，聲子的平均自由程甚至比非晶類材料的都要小，而且在0.3 K時(shí)相比樣品的平均尺寸小將近3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。這種類“聲子玻璃”的熱導(dǎo)率行為主要是由自旋液態(tài)中強(qiáng)烈的自旋漲落對(duì)聲子的散射造成的。另外，Tb2Ti2O7低溫下熱導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)表現(xiàn)出復(fù)雜的依賴關(guān)系，其中最為顯著的特征是相比零場(chǎng)數(shù)據(jù)極低溫?zé)釋?dǎo)率增大了將近30-40倍，這主要是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)有效地壓制了Tb2Zi2O7體系中的磁漲落從而大大

6、減弱了對(duì)聲子的散射，而與TbYTi2O7單晶熱導(dǎo)率的比較進(jìn)一步證實(shí)了Zb2Zi2O7體系中自旋漲落對(duì)聲子有著強(qiáng)烈的散射作用。
　　 第四章主要介紹了Nd3Ga5SiO14單晶低溫?zé)彷斶\(yùn)性質(zhì)的研究結(jié)果。Nd3Ga5SiO14是可能具有自旋液體基態(tài)的阻挫材料之一，為探測(cè)它的基態(tài)性質(zhì)以及磁場(chǎng)對(duì)其基態(tài)的影響，我們細(xì)致地研究了該體系在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的熱輸運(yùn)性質(zhì)。低溫零場(chǎng)下熱導(dǎo)率表現(xiàn)出典型的聲子熱輸運(yùn)行為。磁場(chǎng)沿c方向的低溫?zé)釋?dǎo)率表現(xiàn)出低