一维量子反铁磁性材料研究简介_王艳红.pdf

一维量子反铁磁性材料研究简介王艳红，符鹏，卢红成(华中科技大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430074)摘要：低维量子磁性材料蕴含着丰富的磁性基态特点和量子相变行为，其低维结构与材料内部电子自旋耦合会产生诸多新奇的磁性能，在量子存储和量子传输等方面有着广泛的应用前景，近年来迅速成为研究前沿和热点。一维量子磁性材料由于结构简单，是研究低维量子磁性材料磁学性能的最佳体系，因而首先得到重点关注和研究。自物理学家Haldane教授提出具有整数和半整数自旋的一维量子反铁磁性材料具有不同的量子无序基态的猜想，研究者们对该类材料展示出极大兴趣，并在实验上不断得到了验证。本文简单介绍了部分具有不同自旋数的一维量子反铁磁性材料的制备方法、晶体结构及磁学性能等相关研究工作，为进一步实验合成更多新型一维量子磁性材料提供一定的依据和思路。关键词：晶体结构；一维；量子磁性；自旋中图分类号：TB34;O469文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)01-0015-08Brief Introduction of One-Dimensional Quantum Antiferromagnetic MaterialsWANG Yanhong,FU Peng,LU Hongcheng(School of Chemistry and Chemical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract：Low-dimensional quantum magnetic materials have rich magnetic ground states and quantum phase transitionbehaviors.Their low-dimensional structure and internal electronic spin coupling could exhibit rich novel magneticproperties,which have wide application prospects in quantum storage and quantum transmission and have rapidly becomethe research frontier and hot topic in recent years.Because of their simple structures,one-dimensional quantum magneticmaterials are the best systems to study the magnetic properties of low-dimensional quantum magnetic materials and thushave been focused on and studied first.Since the physicist Professor Haldane conjectured that one-dimensional quantumantiferromagnetic materials with integer and semi-integer spins have different quantum disordered ground states,researchershave been greatly interested in these materials,which have been continuously verified by experiments.In this paper,thepreparation methods,crystal structure and magnetic properties of some one-dimensional quantum antiferromagneticmaterials with different spin numbers are briefly introduced and provide some ideas and methods to experimentallysynthesize more new one-dimensional quantum magnetic materials.Key words：crystal structure;one-dimensional;quantum magnetism;spin收稿日期:2023-01-12基金项目:国家自然科学基金(21901078)作者简介:王艳红，1994年生，博士生.研究方向：一维量子磁性材料的研究.电话：15073029319,Email:通讯作者:卢红成，1987年生，博士，研究员.研究方向：低维量子磁性材料等功能晶体材料的研究.Email:引用格式:王艳红，符 鹏，卢红成.一维量子反铁磁性材料研究简介J.铸造技术，2023,44(1):15-22.WANG Y H,FU P,LU H C.Brief introduction of one-dimensional quantum antiferromagnetic materialsJ.Foundry Technology,2023,44(1):15-22.在传统三维磁性材料中，随着温度的降低，热运动逐渐减弱，材料的磁性通常会在某个临界温度(居里温度Tc或尼尔温度TN)发生磁相变，达到经典的三维长程磁有序(铁磁或反铁磁有序)。而对于低维量子磁性材料，由于反铁磁性、低维性以及小自旋等因素，具有强烈的量子自旋涨落，使得其自旋在温度很低、甚至绝对零度下都能避免三维长程磁有序的出现，其基态一直处于自旋强纠缠下的高简并无序态，从而呈现出量子自旋液体、自旋轨道分离1-4、自旋能隙态5-7、spin-Peierls相变8-10、波色-爱因斯坦(Bose-Einstein)相变11-13、磁化台阶14-16等丰富有趣的新奇量子现象。同时，由于低维量子磁性材料具有一维链或二维平面的结构特征，其自旋量子涨落与同样具有低维结构的铜基、铁基等非常规高温超导化合物的超导电性有很强的关联性17-18，在理解和解释超导机理方面也有着非常重要的科学意义。此外，低DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.3003铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.01Jan.202315维量子磁性材料可以产生满足非对易统计、有能隙的分数化自旋激发，并且这种激发受长程量子纠缠的保护，使其不受局部微扰和噪声的影响，在容错拓扑量子计算、量子存储和量子传输等方面有广泛的应用前景19-20，是实现量子计算实用化的途径之一。因此，低维量子磁性材料因具有量子自旋液体和自旋轨道分离等丰富有趣的新奇量子现象，与非常规高温超导的相关性以及在量子计算、量子存储和量子传输等方面的应用前景，引起了人们的极大关注，迅速成为研究前沿和热点21-30。一维量子反铁磁性材料磁性相对较简单，因此首先得到重点关注和研究。不同于链内和主磁交换作用均为铁磁性的单链磁体，一维量子反铁磁性材料的链内磁交换作用J为反铁磁性作用，可以产生强烈的量子自旋涨落，从而具有量子自旋液体等新奇量子现象。2016年，诺贝尔物理学奖获得者Hal-dane教授曾提出一个著名的猜想31：半整数自旋(S=1/2,3/2,5/2)和整数自旋(S=1,2,3)一维量子反铁磁性链系统分别具有不同的量子无序基态。当自旋为半整数时，自旋链系统低能激发无能隙，但可能存在spin-Peierls相变，自旋自旋两点间的关联函数随距离呈幂律形式衰减；当自旋为整数时，自旋链系统呈现出具有能隙的自旋单态，自旋自旋两点间的关联函数随距离呈指数形式衰减。随着研究的不断深入，Haldane猜想很快得到了实验验证。Haldane猜想的正确性改变了人们认为半整数自旋与整数自旋一维量子反铁磁性链情形定性相同的传统看法，使许多科研工作者对一维量子反铁磁性链体系的研究产生了极大的兴趣32。本文主要介绍了部分具有半整数和整数自旋的经典一维量子反铁磁性材料的制备方法、晶体结构及其磁性能。1半整数自旋一维量子反铁磁性材料根据Haldane猜想，具有半整数自旋的一维量子反铁磁性材料可能具有spin-Peierls相变。目前研究较多的具有半整数自旋的一维量子反铁磁性化合物主要包括TTF-MS4C4(CF3)4(TTF=四硫富瓦烯；M=Cu2+,Au2+)33-35、CuGeO336、BaCu2Si2O737、Cu3(CO3)2-(OH)215、BaMn2V2O838等，其中化合物TTF-MS4C4-(CF3)4(M=Cu2+,Au2+)和CuGeO3被发现存在spin-Peierls相变，化合物BaCu2Si2O7存在自旋偏转相变，化合物Cu3(CO3)2(OH)2被发现具有1/3磁化平台，而化合物BaMn2V2O8被发现可能表现出经典磁性行为与量子磁性行为并存的现象。下面依次进行简单介绍。化合物TTF-MS4C4(CF3)4(M=Cu2+,Au2+)最早被发现存在spin-Peierls相变33,35。2个化合物均通过在乙腈溶液中缓慢冷却得到。TTF-CuS4C4(CF3)4与TTF-AuS4C4(CF3)4具有相同结构，均结晶于三斜晶系，空间群为P-1(图1)。在其结构中，MS4C4(CF3)4-阴离子通过超交换相互作用沿c轴形成一维磁性链34。如图2所示，TTF-CuS4C4(CF3)4与TTF-AuS4C4(CF3)4的磁化率分别在温度低于12 K和2.1 K时急剧下降，表明这2种化合物在相应温度发生了spin-Peierls相变。此时该链系统发生自旋晶格二聚化转变，单重基态与三重激发态分开，从而产生自旋能隙，体系经过相变后处于具有自旋能隙的非磁性基态39。CuGeO3是首个被发现具有spin-Peierls相变的无机化合物8,36，打破了科研工作者对spin-Peierls相图1 TTF-CuS4C4(CF3)4在ab和ac面上的晶体结构示意图33Fig.1 The crystal structure of TTF-CuS4C4(CF3)4viewed on theab-plane and the ac-plane33图2磁化率随温度变化曲线：(a)TTF-CuS4C4(CF3)4,(b)TTF-AuS4C4(CF3)435Fig.2 Temperature dependence of magnetic susceptibilities:(a)TTF-CuS4C4(CF3)4,(b)TTF-AuS4C4(CF3)435Vol.44 No.01Jan.2023FOUNDRY TECHNOLOGY16型化合物37,54-61。该化合物最早由Tsukada等54通过常规固相反应得到，并使用浮区法生长出直径为5 mm，长度为10 mm的单晶棒样品。在BaCu2Si2O7中，CuO4平面通过O原子以角连接的方式连接形成沿c轴的一维自旋链(图4)。如图5所示37，对BaCu2Si2O7外加一个沿c轴方向的磁场，随着磁场强度的增加，BaCu2Si2O7的磁化强度线性增加。当H=2.0 T时，自旋发生偏转，磁化强度出现跳跃，体系的反铁磁相被破坏，形成了spin-flop1相。之后磁化强度继续随着场强增加而线性增加，直至4.9 T时再次出现跳跃，体系进入spin-flop2相。具有1/3磁化平台的一维金刚石链化合物Cu3-(CO3)2(OH)2为天然矿物蓝铜矿，在此不再描述其合成方法。该化合物结晶于单斜晶系，空间群为P21/c62。如图6(b)所示，自旋为S=1/2的磁性金属Cu2+通过O原子以角共享的方式连接，从而形成沿b轴无限延伸的一维磁性链。在磁性链中存在J1、J2和J33种自旋耦合交换作用，由于J2J1、J3