磁性阻挫材料中的缺陷效应

介绍

从Anderson提出高温超导的共振价键理论以来，磁性阻挫体系一直是凝聚态物理中的一个重要课题。阻挫的核心效应是压制长程序，从而使超越传统Landau对称破缺范式的新奇物态有可能得以演生出来。近十几年来，一系列存在磁性阻挫的新材料在实验上被合成，为相关理论的发展提供了新的素材。然而，一个重要的问题是，由于其中与基态相关的一些关键能量尺度通常都很小，包括空位、替换、畴界、载流子掺杂在内的各类缺陷效应都会扮演很重要的角色。例如，对于研究最充分的量子自旋液体候选材料Herbertsmithite，最大的争议就来自于其中的Cu/Zn 反位缺陷。由于Cu 和Zn的离子半径非常接近，这样的本征缺陷很难被消除。它影响到材料低温实验数据的解读，使得材料的自旋激发是否存在能隙、低能准粒子是否带1/2 的自旋等关键信息无法完全确定下来。

本课题立足于以第一性原理计算为手段，模拟若干有代表性的磁性阻挫材料中的微观缺陷，分析其对于材料电子和磁性质的影响，进而为有效模型的建立和进一步的理论分析提供依据，为实验上如何调控缺陷提供指导。

我们拟采取的研究方案可以分为三个层次加以说明。首先，第一性原理计算虽然很大程度上局限在平均场理论的层次上，但对于晶格结构、原子成键、缺陷形成等宏观经典性质的预测仍然可供实验参考。其次，第一性原理计算 给出的单电子本征态可以作为描述材料的0 级近似。在此基础上，我们可以解析地补充平均场近似下缺失的相互作用项，进而建议可以描述材料低能性质的简化有效模型，并对所涉参数给出合理的估值。最后，一些针对电子强关联特性的数值方法已经逐渐成熟起来，并且可以和密度泛函理论有机的加以结合。

磁性阻挫与凝聚态物理前沿的多个核心问题，比如拓扑序、高温超导，都有深刻的关联。以表征和调控磁性阻挫材料作为突破口，很有可能为这些关键基础问题的解决提供新的思路。

项目类型：国家自然科学基金面上项目，2018.1-2021.12

项目成员

刘峥

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