几何阻挫磁体AB2O4体系中无序诱发自旋玻璃相变的研究

The origin of spin glass in geometrically frustrated magnets is still unknown and needs to be clarified. ZnCr2O4, as a typical material in geometrically frustrated magnets of AB2O4, is employed in this project. The ionic diluted disorder and the exchange-interaction disorder (bond disorder) are introduced by doping the nonmagnetic and magnetic ions with similar radii in ZnCr2O4, respectively. Advanced artificial intelligence atmosphere-controllable furnace is used to synthesize the high-quality sample. The designed magnetic experiments are carried out in magnetic properties measurement system (MPMS). The dc and ac magnetic properties are measured to investigate the detailed magnetic structure and spin relaxation of system. The theoretical models, such as critical-power law and so on, are employed to study the spin dynamics of spin glass in geometrially frustrated magnets. Then, the project clarifies the machanism of spin glass induced by these two disorders. Through doping the ions with appropriately different radii in ZnCr2O4, the lattices are changed to study the influence of spin-lattice coupling on the formation of spin glass. Finally, the project clarifies whether there is the difference between spin glass in geometrically frustrated magnets and conventional spin glass.

几何阻挫磁体中自旋玻璃行为的形成机制一直没有得到澄清和理解。本项目基于几何阻挫磁体AB2O4体系中典型的ZnCr2O4，通过掺杂离子半径相近的非磁性和磁性离子方式分别在几何阻挫磁体体系中引入离子稀释无序和交换作用无序。利用先进的人工智能可控气氛炉制备高质量的样品。设计磁性测量实验，利用磁性测量系统（MPMS），测量样品的直流和交流磁性行为，研究体系的磁结构和自旋弛豫现象，并借助临界幂等理论模型研究几何阻挫磁体AB2O4体系中自旋玻璃的自旋动力学，阐明两种无序诱发自旋玻璃的机制。通过掺杂半径差异较大的离子，改变其晶格结构，进一步研究自旋-晶格耦合对自旋玻璃形成的影响。在以上研究的基础上，澄清几何阻挫磁体中自旋玻璃与传统的自旋玻璃是否有差异。

几何阻挫磁体是当前凝聚态物理研究的热点之一。本项目基于几何阻挫磁体 AB2O4 体系中，通过化学共沉淀法制备高质量的ZnFe2O4 纳米颗粒材料及其金属离子掺杂衍生物的纳米颗粒材料。通过测量材料样品的结构相貌和磁学性质，并运用临界幂指数模型、Vogel-Fulcher 模型等理论模型对实验数据进行拟合，研究了几何阻挫磁体复杂的磁结构和自旋动力学，特别是自旋玻璃的自旋动力学行为。主要的研究成果如下：1）首次从实验上明确证实了ZnFe2O4 纳米颗粒材料中存在自旋玻璃相，并给出了ZnFe2O4 纳米颗粒材料的磁相图。对于ZnFe2O4 纳米颗粒材料，当纳米颗粒尺寸小于20nm 时，体系呈亚铁磁相，当纳米颗粒尺寸大于20nm 时，体系呈自旋玻璃相。2）明确了无序在几何阻挫磁体自旋玻璃相产生过程中的主导作用，并阐明了自旋玻璃形成的内在机制。在AB2O4 体系中，由于A 位的Zn2+离子将和B 位的Fe3+离子发生位置交换，在体系中引入了离子稀释无序和交换作用无序，这两种无序的共同作用，导致了体系自旋玻璃相的形成。3）澄清了NiZn 铁氧体纳米颗粒复杂的磁结构。实验发现Zn0.8Ni0.2Fe2O4 纳米颗粒在低温区存在亚铁磁相与反铁磁相的两相共存，其中B 位金属离子之间的反铁磁交换作用在反铁磁相的形成过程中起着主要作用。本项目阐明了几何阻挫磁体自旋玻璃形成的内在机制，促进了几何阻挫磁体这个热点领域的研究。本项目合成研究了AB2O4系列磁性纳米颗粒材料，澄清其复杂而丰富的磁结构，这对磁性纳米材料在生物医学、磁存储和纳米器件等方面的应用也有一定的指导意义。