量子磁体中强磁场诱导玻色玻璃态动力学行为研究

Bose-Einstein condensate (BEC) of quantum magnet systems is one of the research focus on extreme experimental conditions condensed matter physics. The Bose glass state is exist in a Bose system with disorder and weak interaction. It provides a good experimental platform for the study of new quantum states. Theoretical analysis shows that the engendered disorder has a significant role in the modulation of quantum fluctuations, the ground state and the excited state in the system.Magnetic field can regulate the chemical potential of bosons, consequently, can effectively control its creation and concentration in BEC. Bose glass phase has the nature of gapless and no breaking of symmetry, and thus the study on this phase is a challenge experimentally.This project will use chemical doping to form disorder and pulsed high magnetic field to control the concentration of Bose, and to draw the phase digram of the doping, temperature and magnetic field. And we will verify the adaptability of Mean Field Theory to describe the relations between temperature and critical field in Bose glass transition. This research will improve and expand the measurement on quantum, it will explore new research methods of the new quantum state in spin quantum system.

量子磁体中磁场诱导玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是极端条件下凝聚态物理研究热点之一，在无序(掺杂)自旋二聚体量子磁体中，磁场将诱导产生玻色玻璃态，它为新量子态的研究提供了一个理想实验平台。理论研究表明：无序明显改变玻色子系统的量子涨落，基态和激发态能级；外磁场改变玻色子的化学势，进而直接影响玻色子的浓度。由于玻色玻璃态具有无能隙和无对称性破缺的特性，因而对其进行实验研面临很大的难度和挑战。本项目采用化学掺杂引入无序和脉冲强磁场控制玻色子浓度相结合的实验方案，研究自旋二聚体中无序、温度和磁场对玻色玻璃态形成及其动力学行为的影响，检验平均场理论描述玻色玻璃态相变行为的适应性，构建玻色玻璃态关于无序度、温度和磁场的完整相图。该项目将进一步完善和扩展极端实验条件下量子磁体测量技术，为探索新量子态提供更有效的实验方案。

量子磁体中磁场诱导玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是极端条件下凝聚态物理研究热点之一，在无序(掺杂)自旋二聚体量子磁体中，磁场将诱导产生玻色玻璃态，它为新量子态的研究提供了一个理想实验平台。在本项目中利用某些量子磁性材料（如Sr3Cr2O8）中成对的磁性离子之间强的反铁磁相互作用形成自旋二聚体，对出现的新的量子态和特殊的量子行为进行研究。本项目以自旋二聚体（磁子）为研究对象，利用脉冲强磁场对磁子内部和之间相互作用的调控，系统研究磁子玻色凝聚过程的动力学行为，进而达到操控玻色凝聚行为。具体以Sr3Cr2O8(和Ba3Mn2O8)中自旋为1/2的Cr5+离子（自旋为1的Mn5+离子）为研究对象，Cr5+(Mn5+)和它最近邻的Cr5+(Mn5+)发生自旋耦合，形成自旋S = 0的基态和具有能量为J0自旋S = 1的三重第一激发态（对于Mn5+还存在S=2的五重态）。在外加磁场的作用下，自旋二聚体开始凝聚到基态能级上，发生玻色爱因斯坦凝聚。本项目分析了Ba3Mn2-xCrxO8 (x = 0, 0.01, 0.04, 0.06)和Sr3Cr2-xNdxO8（x = 0.025, 0.05, 0.075, 0.1）中不同掺杂元素，不同掺杂量对玻色凝聚过程的影响，通过铬、钕离子的掺杂，从而尝试对该现象发生的温度、磁场强度进行调控。稳态场和脉冲磁场下的磁化以及电子自旋共振表明：元素的掺杂对量子磁性材料的自旋二聚体内的相互作用J0和自旋二聚体间的相互作用J’都有所影响。尤其是，Nd元素的掺杂可以明显增强Cr-Cr自旋二聚体对磁场变化影响的灵敏度。由于无序明显改变玻色子系统的量子涨落、基态和激发态能级，本项目在进行过程中，采用改变化学配位的方法，我们获得了两种具有本征磁相互作用磁无序的新型自旋二聚体单晶材料：Ba2Co2Cl2(C2O4)3·4H2O和K2Cu2(Te2O5)(TeO3)2(H2O)2，并通过实验手段证实了体系中有两种不同磁相互作用的自旋二聚体共存，从而得到了具有稳态本征磁无序的自旋二聚体材料，为进一步研究无序与玻色凝聚的动力学过程奠定了理想的材料基础。另外，该项目研制的高灵敏度磁性探测系统进一步完善和扩展了极端实验条件下量子磁体测量技术，为探索新量子态提供更有效的实验方案。