合肥研究院在強自旋-軌道耦合材料研究中取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員張昌錦課題組在5d強自旋-軌道耦合材料Sr2IrO4的研究中取得進展。相關工作以Enhanced electrical conductivity and diluted Ir4+ spin orders in electron doped iridates Sr2–xGaxIrO4 為題發(fā)表在《應用物理快報》上。

　　銥氧化物具有強度相當?shù)碾娮雨P聯(lián)與自旋-軌道耦合作用，二者的相互作用與競爭帶來許多新奇的物理現(xiàn)象，如Mott絕緣體、拓撲晶體絕緣體、Weyl半金屬、量子自旋液體等。其中的熱點研究體系Sr2IrO4，具有不同于傳統(tǒng)能帶理論的Jeff=1/2電子結(jié)構，并且表現(xiàn)出傾斜反鐵磁的自旋基態(tài)。此外，由于其晶格結(jié)構和電子結(jié)構均與銅基超導體以及Sr2RuO4相似，Sr2IrO4近年來被眾多理論工作者預言為新型高溫超導體。此前，有科研人員在電子注入樣品中探測到了一些超導的跡象。然而，體超導的實現(xiàn)依然任重道遠。

　　張昌錦課題組對該體系進行了退火、化學摻雜等一系列研究。不同位置、不同元素的摻雜，不僅能夠改變體系的晶體結(jié)構，而且能夠改變載流子濃度，對體系的電、磁性質(zhì)影響顯著。其中，對Sr位摻Ga的工作發(fā)現(xiàn)，隨著摻雜的增加，電阻率降低，導電性增強；當摻雜濃度達到5%時，電阻-溫度關系上出現(xiàn)一個絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。磁性測量上，隨著摻雜的增加，鐵磁性被抑制；當摻雜達到2.5%時，在低溫下出現(xiàn)另外一個磁轉(zhuǎn)變，該轉(zhuǎn)變隨著摻雜的進一步增加而迅速消失。同高溫磁轉(zhuǎn)變相似，新的低溫相也是一個傾斜反鐵磁相，并且與稀釋的Ir4+離子間的交換作用有關。該研究通過化學摻雜對Sr2IrO4電、磁基態(tài)進行調(diào)控，對于在該體系中尋找高溫超導具有重要意義。

　　該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金以及合肥研究院院長基金的支持。

　　圖（a）Sr2–xGaxIrO4樣品的電阻-溫度關系，（b）磁化率-溫