基于核磁共振测量的α-RuCl3物性研究

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与一般磁性材料在低温下磁矩会呈规则有序排列不同,量子自旋液体作为全新的拓扑量子态体系电子的自旋即使在绝对零度也呈液体一般的无序状态。虽然自旋无序排列,它们之间却存在着长程的量子纠缠,因此可以被应用于量子通讯及量子计算。另外,有观点认为,高温超导电性是通过掺杂演化而来的,因此对量子自旋液体的研究也有助于探索高温超导电性机理。  目前理论上认为量子自旋液体体系是建立在三角格子或Kagome格子上的阻挫系统。2006年,加州理工大学的Alexei Kitaev教授提出了一种定义在二维六角蜂窝状格子上具有有效1/2自旋的拓扑自旋模型,称为Kitaev量子自旋模型。与几何磁阻挫导致的量子自旋液体不同的是,Kitaev量子自旋液体中磁无序的产生是由于体系中的量子阻挫效应。自旋之间的相互作用称为Kitaev相互作用。该模型具有拓扑序,存在非阿贝尔任意子激发。一个带有任意子激发的二维量子系统可以被用作容错的量子计算。因此,在实验上找到这种材料具有重大意义。  寻找纯净Kitaev模型的真实二维量子体系材料就尤为重要。近期研究发现,在α-RuCl3材料中存在Kitaev和其它相互作用,但该材料的基态为zigzag的磁有序态。由于之字形磁有序的有序矩很小,在多样化的外部条件下,如果磁有序被抑制,可以观察到自旋液体行为。  文章一共分为五部分。第一部分:介绍了量子自旋液体和α-RuCl3的研究背景。简单解释了量子自旋液体以及近几十年来的研究成果,之后,Kitaev提出一个基态为自旋液体,可精确求解的自旋模型。幸运的是,最近在具有准二维蜂窝状晶格的α-RuCl3中,发现其具有Kitaev相互作用项,在加场条件下,极有可能观测到自旋液体,引发了近期国内外极大的关注。  第二部分:简单介绍了核磁共振实验原理,常用脉冲序列,实验室装置:谱仪、功率放大器、网络分析仪、磁体、高压包等。并以200MHz为例简要叙述了工作原理。  第三部分:结合比热和磁化率测量,在核磁共振的高磁场下α-RuCl3诱导出无能隙的自旋液体的激发,得到了磁相图;之后通过介电常数得出了一致的低场磁有序相图,有效的标明了量子临界点,证明磁电耦合的存在,并推测该材料有可能是第二类多铁材料。  第四部分:通过高压磁化率和高压核磁共振手段测量压力下α-RuCl3的变化,不仅出现了奇特的TN随着压力非线性变化,而且进入高压磁无序相之前,有明显的相分离现象。  第五部分:论文的总结。虽然对α-RuCl3进行了多方面测量分析,并且得到了由磁场诱导出无能隙的自旋激发态和高压下奇特的高压无序相。但是仍然存在一些争议,譬如有无能隙的问题。并期望在以后的量子自旋液体探索中,研究者们可以做出更卓著的贡献。
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