自旋液體材料的低溫熱傳導.pdf

1、具有幾何阻挫效應的自旋體系是凝聚態(tài)物理領域一個備受關注的研究方向之一，它因具有多種奇特的基態(tài)性質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注研究熱點，它不僅有助于在理論上解釋高溫超導體的機理，而且它的拓撲性質將有可能實現(xiàn)在量子信息上的應用。關于該方向的理論研究已經(jīng)持續(xù)了多年，但實際上直到最近才在實驗中找到一些可能的量子自旋液體材料。
　　 我們細致地研究了燒綠石結構Tb2Zi2O7

2、和稀土硅酸鎵鑭系的Nd3Ga5SiO14的極低溫熱輸運性質。在這兩類材料中，磁性離子間的相互作用導致的幾何阻挫使得系統(tǒng)在低溫下產(chǎn)生高度的簡并態(tài)，有可能形成自旋液體態(tài)。低溫強磁場下熱輸運性質的測量是研究量子基態(tài)性質和自旋—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特征提供更多的實驗依據(jù)。
　　 第一章綜述了阻挫磁性材料及自旋液體態(tài)相關的研究進展。在本章中首先詳細介紹了具有自旋液體態(tài)的阻挫磁性材料的研究進展;其次介紹了燒綠

3、石結構Zb2Zi2O7的基態(tài)性質和研究進展;之后介紹了三方結構Nd3Ga5SiO14的基態(tài)性質及研究進展;最后簡單介紹了熱傳導的基本知識。
　　 第二章主要介紹了使用光學浮區(qū)爐制備高品質的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，并對單晶的生長條件進行了細致的研究。發(fā)現(xiàn)合適的生長速度以及氧氣壓力對獲得高品質單晶至關重要，而且

4、不同的R2Ti2O7單晶的生長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證獲得的R2Ti2O7及Tb2-xYxZi2O7單晶的質量，通過磁化率及比熱測量等實驗手段研究了R2Ti2O7體系單晶的低溫性質。此外，為探測非磁性Y3+離子摻雜對自旋液體基態(tài)性質的影響，對Zb2-xYxZi2O7單晶的磁化率，比熱以及熱導率等性質做了細致地研究。
　　 第三章主要介紹了Tb2Zi2O7單晶低溫熱輸運性質的研究，發(fā)

5、現(xiàn)該材料在零場低溫下表現(xiàn)出類“聲子玻璃”的熱導率行為，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時相比樣品的平均尺寸小將近3-4個數(shù)量級。這種類“聲子玻璃”的熱導率行為主要是由自旋液態(tài)中強烈的自旋漲落對聲子的散射造成的。另外，Tb2Ti2O7低溫下熱導率隨外加磁場表現(xiàn)出復雜的依賴關系，其中最為顯著的特征是相比零場數(shù)據(jù)極低溫熱導率增大了將近30-40倍，這主要是因為外加磁場有效地壓制了Tb2Zi2O7體系中的磁漲落從而大大

6、減弱了對聲子的散射，而與TbYTi2O7單晶熱導率的比較進一步證實了Zb2Zi2O7體系中自旋漲落對聲子有著強烈的散射作用。
　　 第四章主要介紹了Nd3Ga5SiO14單晶低溫熱輸運性質的研究結果。Nd3Ga5SiO14是可能具有自旋液體基態(tài)的阻挫材料之一，為探測它的基態(tài)性質以及磁場對其基態(tài)的影響，我們細致地研究了該體系在低溫強磁場條件下的熱輸運性質。低溫零場下熱導率表現(xiàn)出典型的聲子熱輸運行為。磁場沿c方向的低溫熱導率表現(xiàn)出低