脉冲强磁场下5d过渡族金属铱化物金属-绝缘体相变及磁电阻研究

5d transition metal iridates, where novel properties arise from the interplay of electron correlations and spin-orbit interactions, is now an important topic in condensed matter physics. Application of magnetic fields could induce the variation of the state density around Fermi energy, which is manifested by metal-insulator transition and magnetoresistance effect macroscopically. In the present project, pulsed high magnetic field is employed to investigate origin of metal-insulator transition and magnetoresistance effect, and the effect of itinerant electrons. Through these work, we expect to solve some basic problem in 5d transition metal iridates, and establish the correlation between macroscopic property and micro mechanism. Meanwhile, some new phenomena and novel states are also expected in pulsed high magnetic fields.

在强自旋轨道耦合和电子关联的共同作用下，5d过渡族金属铱化物表现出奇异量子物性，是目前凝聚态物理的研究热点。对于这类自旋阻挫材料，外加磁场能够诱导材料在费米能处态密度的变化。随着磁场强度的增大，材料的磁性及输运性质将进一步发生变化，宏观表现为金属-绝缘体相变以及磁致电阻效应等。本项目计划利用脉冲强磁场这种极端实验条件，通过对电子关联作用以及磁有序结构的调控，研究材料中金属-绝缘体相变、磁电阻效应的微观机制、巡游电子对材料基态性质的影响等科学问题。通过本项目，希望解决5d过渡族金属铱化物材料研究中的某些问题，建立强磁场下宏观物理性质与各种微观机制之间的关联，并探索极端实验条件下的新现象和新物态。

自旋受挫的烧绿石结构铱氧化物R2Ir2O7，因其5d电子较强的自旋轨道耦合、电子关联以及晶体场效应的相互竞争作用，使得该体系成为研究奇异量子物性的理想载体。.本项目的主要研究内容包括以下几个方面，首先，探索铱氧化物材料的晶体生长方法，对所制备的化合物进行基本物性测量；其次，揭示电子关联、自旋轨道耦合、磁有序结构以及Kondo耦合对该体系材料基态性质的影响机制；.本项目取得的主要研究成果如下：在材料制备方面，项目组通过探寻不同的生长方法，成功制备了Ca2+掺杂的Sm2Ir2O7、Ru4+掺杂的Eu2Ir2O7系列的铱氧化物材料。对这些材料，我们开展了基本物理性质的测量。针对本项目第二方面的研究内容，我们通过引入Ru4+,对Ir4+的自旋轨道耦合和电子关联作用进行有效地调控，系统分析了该体系材料的居里温度、有效磁矩等参数的变化，揭示这两种竞争作用对反铁磁有序态的影响。另外，对材料电输运的分析发现，该体系绝缘态的输运行为都符合指数变化规律。我们认为，电子关联作用的增强以及无序引起的巡游电子在Ir-Ir之间的直接跃迁行为的破坏，导致材料较强的绝缘体行为。另外，对A位Ca2+掺杂的Sm2Ir2O7，我们详细分析了不同组分的样品在绝缘态和金属态的输运行为，结果表明，除Ir4+、Ir5+的无序分布对自旋轨道耦合和电子关联的调制以外，4f-5d的交换耦合作用对材料的基态性质也有重要的影响。