几何阻挫磁系统的磁序态和"磁单极"研究

The spin ice state and "magnetic monopole" were recently found in the geometrically frustrated pyrochlore oxides. These findings pave the way to a study of the basic physical phenomena in nature. In this project, we will study the frustrated magnetic ground state and "magnetic monopole" of geometrically frustrated systems with density functional theory together with Monte Carlo simulations. The main contents include: (1)the magnetic order phases of geometricall frustrated multiferroics ABO3 and AB2O5( A = rare earth ions, B = 3d transitional metal ions), and the effect of 3d-4f interactions, the long-range dipolar interactions between rare-earth ions, and Dzyaloshinskii-Moriya interactions on the magnetic order phases; (2) the magnetic order phases of ABO3 and AB2O5 confined in the external forces such as dopant, crystal stress, the magnetic field, and the temperature, and so on; (3) the magnetization reversal properites of artifical frustrated magnets in the presence of magnetic field, and a possible topological structure where the magnetic charger ordering and the emergent particle "magnetic monopole" can occur. The project is of great importance for revealing the intrinsic magnetism of geometrically frustrated systems.

自旋冰态和准粒子"磁单极"是近年来被发现在几何阻挫磁系统烧绿石结构化合物中的磁现象，这些发现为探索自然界中基本的物理现象提供了良好的基础。本课题利用第一性原理结合蒙特卡罗模拟方法，对几何阻挫磁系统的磁基态序和"磁单极"现象进行基础研究。具体内容包括:（1）阻挫多铁性材料ABO3 和AB2O5(A=稀土元素，B=3d过渡元素)的基态磁序相，以及磁离子间相互作用和 Dzyaloshinskii-Moriya 作用对系统磁序相的影响；(2) 在掺杂导致的成分变化或晶格应力、外场和温度等因素影响下，阻挫系统ABO3 和AB2O5的磁相变情况；（3）人工几何阻挫磁晶格在外磁场下的磁化强度反转性质，探讨人工磁晶格中磁荷序和"磁单极"产生的机制和产生的系统的拓扑结构特征。本项目研究在揭示几何阻挫磁系统的磁性本征行为和基本的物质属性方面有重要的科学意义。

在磁性系统中，阻挫作用会导致材料呈现磁基态多样性和奇异的物理性质。稀土锰氧化物中存在的阻挫作用导致这类材料呈现多铁性，研究阻挫磁材料RMO3(R是稀土元素, M是过渡元素)磁序态的行为对于寻找具有磁相变温度较高和大磁电效应的多铁性材料有重要的理论意义。本课题利用第一性原理结合蒙特卡洛模拟方法研究了天然稀土过渡金属氧化物RMnO3和RMn2O5、RCrO3、RFeO3材料的磁基态序和磁性离子间的磁相互作用；研究了三种人工阻挫系统的磁基态，以及在外磁场和温度作用下的人工阻挫系统的热动力学和磁化强度反转性质。. 研究发现，正交相的LaMnO3、DyMnO3、SmMnO3中Mn的基态磁结构都为A类反铁磁结构，即在(100)面上Mn原子是铁磁排列，相邻面间是反铁磁排列，而EuMnO3中Mn原子的基态磁结构为G类反铁磁结构，即Mn原子和它近邻Mn原子磁矩方向相反。在不同的稀土锰氧化物中，MnO6八面体的畸变程度导致Mn原子的磁矩也有所不同。对于六方相的DyMnO3材料，(100)面上Mn原子排列结构近似六角结构，计算发现当Mn原子磁矩排列呈120度角时体系能量最低，Mn原子间具有磁阻挫作用。对于RCrO3化合物，由于Cr离子的3d轨道有3个电子，正好占据能量较低的t2g轨道，CrO6氧八面体的畸变效应很小，结果LaCrO3、CeCrO3、PrCrO3、NdCrO3、EuCrO3、GdCrO3中Cr基态磁结构都是G类反铁磁排列，而稀土元素磁矩排列对体系能量影响很小。对于RFeO3化合物，同样Fe三价离子的3d轨道有5个电子，占据3d的五个轨道，晶格畸变效应也较小，LaFeO3、CeFeO3、PrFeO3、EuFeO3的Fe基态磁结构排列也都是G类反铁磁。. 对于人工自旋冰结构，随温度的增加正方自旋冰发生从长程磁基态序向无序的转变，而Kagome自旋冰发生两个磁相变，第一个是从磁荷有序到无序的转变，第二个从磁矩短程序到无序的转变。对砖状自旋冰结构，基态时也有长程磁荷序出现，因此也有两个相转变温度。