強磁場下強自旋軌道電子材料的多量子態與調控研究

《強磁場下強自旋軌道電子材料的多量子態與調控研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由田明亮擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場下強自旋軌道電子材料的多量子態與調控研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：田明亮
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

在4d/5d關聯電子材料中，許多奇特物性是由強自旋軌道相互作用導致的，包括莫特絕緣體、手征自旋液體、拓撲半金屬以及寬頻隙拓撲絕緣體等。強磁場作為一種極端實驗條件在很多領域顯露出它的重要作用，比方說～30T的磁場在能量上為幾個毫電子伏，已經不再是一個可忽略的微擾，能夠很有效地調控各種競爭能量之間的平衡關係，誘導出新的量子序，從而導致新現象。在過去幾十年的強關聯研究中，人們主要強調了3d元素的作用而對自旋軌道作用以及該作用所誘導的基本相關效應大多被忽略了。本項目擬開展：（1）5d銥化物中的奇異量子現象與量子調控機制；（2）新型寬頻拓撲絕緣體及由關結構中的新量子態與量子輸運研究；（3）過渡金屬氧化物薄膜和人工結構中序競爭及界面效應研究。目標就是通過強磁場等方法實現對電荷、自旋、軌道等量子有序態的調控，使之出現全新的物質狀態，從而呈現出新現象、新物理，並推動最前沿的基礎材料研究的發展。

結題摘要

本項目主要圍繞過渡金屬氧化物薄膜和人工超晶格、4d/5 d氧化物中的奇異量子現象與量子調控機制及新型拓撲量子材料在強磁場下中的量子輸運與新量子態開展了系統研究，並取得如下創新性成果：（1）首次研製出具有層分辨磁化翻轉特性的全氧化物人工反鐵磁體超晶格，該磁化結構能在幾百高斯的低磁場下實現有效調製轉換，並且具有幾近於室溫的居里溫度，使其在自旋電子學領域的套用成為可能；（2）理論預言和實驗證明：三角PtBi2是新一類三重簡併拓撲半金屬，而立方PtBi2是一個載流子補償的具有超大磁阻的新拓撲半金屬；（3）系統研究了ZrTe5單晶的高磁場量子輸運特性及磁場、壓力和尺寸調控效應等,觀察到手性磁效應、磁場誘導的三維Dirac半金屬到二維外爾半金屬的拓撲相變、壓力誘導的三維Dirac半金屬到平庸半金屬的轉變以及厚度調控拓撲半金屬到平庸金屬的轉變等；（4）詳細研究了狄拉克半金屬Cd3As2納米片在局域和非局域探測下的量子輸運特性以及平面霍爾效應，觀察到局域的二維表面態量子振盪信號以及角度滿足餘弦關係的平面霍爾信號，清晰給出手性磁效應的證據；（5）首次利用平面霍爾測量手段，研究了4d材料Sr4Ru3O10 低溫奇異磁性的尺寸調控現象，首次發現隨單晶厚度減小能夠誘導低溫50 K變磁轉變溫度降低並伴隨磁矩從c軸取向反轉到ab-面，這一發現澄清了人們對低溫下50K附近奇異變磁轉變機理的長期爭論；（6）系統研究了拓撲磁性材料MnSi 和FeGe在受限體系下的新穎結構，成功實現在納米條帶和納米盤中觀察到單個磁斯格明子或團簇以及尺寸對其形狀的調控，首次實現對單個磁斯格明子的電學探測及形狀調控等。 在研究中，共發表論文52 篇，一作和通訊作者論文47篇，其中在國際頂級期刊發表論文16篇，如Science 1篇，Nat. Mater. 1 篇，Nat. Commun. 5篇，Phys. Rev. Lett. 2 篇， PNAS 2 篇等。