低維自旋阻挫系統(tǒng)的磁性和鐵電性研究.pdf

1、低維自旋阻挫系統(tǒng)由于其豐富的物理內(nèi)涵以及有限溫度下呈現(xiàn)的有趣熱力學(xué)行為而受到了廣泛的研究。作為新型功能材料的分子磁性材料和多鐵性材料，其中的許多化合物都與自旋阻挫緊密聯(lián)系，因此對(duì)這類化合物的研究不僅有利于對(duì)阻挫現(xiàn)象的理解而且對(duì)于實(shí)際材料的設(shè)計(jì)以及磁電器件開發(fā)應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義。
　　本文采用傳遞矩陣解析法和蒙特卡羅模擬針對(duì)典型的低維自旋阻挫化合物的磁性和鐵電性進(jìn)行了研究，并與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性比較，論文主要內(nèi)容如下:

2、r>　　1.針對(duì)自旋梯結(jié)構(gòu)分子磁性材料，建立了含有次近鄰交換作用和單離子各向異性的混自旋伊辛自旋梯模型，利用傳遞矩陣方法對(duì)該模型進(jìn)行了嚴(yán)格求解。研究了全反鐵磁耦合阻挫情況下，系統(tǒng)的基態(tài)相圖、低溫磁化行為以及熱力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，自旋阻挫的存在能夠增強(qiáng)系統(tǒng)低溫下的反常磁熵變行為，有利于磁性材料的低溫磁制冷。另外，對(duì)磁化率和磁比熱的考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種自旋的單離子各向異性異號(hào)時(shí)，零場(chǎng)下的磁化率和磁比熱隨溫度的變化曲線會(huì)呈現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)，說明具有阻

3、挫的低維自旋系統(tǒng)對(duì)溫度的熱漲落仍然比較敏感。
　　2.對(duì)具有單自旋1/2以及混自旋(1/2，1)的阻挫鉆石鏈體系，建立了伊辛-海森堡交替鍵模型，并采用傳遞矩陣方法對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格求解。結(jié)果表明，次近鄰節(jié)點(diǎn)伊辛自旋存在反鐵磁耦合時(shí)會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的阻挫效應(yīng)，豐富系統(tǒng)的基態(tài)相圖，并且當(dāng)海森堡自旋量子數(shù)從1/2變?yōu)?時(shí)，含有自旋糾纏的量子基態(tài)數(shù)目增加。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)不同本質(zhì)屬性的基態(tài)相變，系統(tǒng)的低溫磁化曲線在臨界場(chǎng)附近表現(xiàn)的行為不同。對(duì)混自旋

4、鉆石鏈的熱力學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的零場(chǎng)磁比熱隨次近鄰反鐵磁耦合系數(shù)變化呈現(xiàn)豐富的雙峰結(jié)構(gòu)，并且在僅存海森堡自旋間相互作用時(shí)，這種雙峰結(jié)構(gòu)仍然存在，表明了雙二次交換作用和單離子各向異性會(huì)引起海森堡自旋內(nèi)部激烈的能量競(jìng)爭(zhēng)。
　　3.基于低維阻挫材料Ca3CoMnO6類化合物的特點(diǎn)，建立了含有近鄰、次近鄰交換作用以及磁聲耦合項(xiàng)的一維彈性伊辛模型，利用傳遞矩陣方法嚴(yán)格求解了表征該類化合物的磁性和鐵電性的物理量。結(jié)果表明，近鄰自旋間的交換耦

5、合無論為鐵磁還是反鐵磁，只有次近鄰的反鐵磁耦合接近或強(qiáng)于近鄰自旋的磁耦合時(shí)，系統(tǒng)在基態(tài)才能表現(xiàn)為上上下下或上下下上自旋序，并且在外電場(chǎng)為零時(shí)，兩種自旋序構(gòu)型簡(jiǎn)并，因而宏觀上不表現(xiàn)出電極化強(qiáng)度，施加外電場(chǎng)可以消除簡(jiǎn)并。另外，當(dāng)近鄰自旋間為反鐵磁耦合時(shí)，在磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下，基態(tài)相圖呈現(xiàn)了豐富的自旋構(gòu)型，出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)1/3磁化平臺(tái)的上下上自旋構(gòu)型。
　　4.根據(jù)LiCu2O2化合物的磁性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于45°傾斜橢圓螺旋序基態(tài)構(gòu)型的假設(shè)，建立了

6、具有交換各向異性和弱的鏈間相互作用的準(zhǔn)一維阻挫海森堡模型，采用蒙特卡羅方法對(duì)表征LiCu2O2宏觀磁電行為的物理量做了計(jì)算。結(jié)果表明:DM相互作用或自旋流模型在該化合物中仍然適用，梯子內(nèi)部鏈間近鄰自旋的交換耦合對(duì)基態(tài)螺旋序構(gòu)型有顯著地調(diào)制作用。當(dāng)其為強(qiáng)的反鐵磁耦合時(shí)，系統(tǒng)的低溫自旋構(gòu)型表現(xiàn)為完美的螺旋序，而相應(yīng)地磁化強(qiáng)度、電極化強(qiáng)度、磁化率以及磁比熱隨溫度的變化曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的最好。另外，對(duì)磁比熱和自旋結(jié)構(gòu)因子的研究發(fā)現(xiàn)，易平面交換