课题基金 / 基金详情

室温斯格明子体系RMn2Ge2单晶的拓扑输运性质及其物理机制

批准号:
52101223
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
罗小华
依托单位:
学科分类:
金属功能材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
罗小华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
由于蕴含丰富的物理性质和潜在的应用价值,磁性斯格明子等自旋拓扑结构近年来备受关注。然而,自旋拓扑结构与拓扑输运性质之间的关系尚不明确,存在许多相互矛盾的结果亟待澄清。研究表明,稀土磁制冷材料RMn2Ge2具有多种复杂的磁结构,其自旋拓扑结构会随着尺度的变化而改变,同时NdMn2Ge2在室温附近具有巨拓扑霍尔效应。因此,本项目拟以RMn2Ge2(R=La、Ce和Nd)为研究对象,利用助熔剂法制备单晶块体样品,并利用聚焦离子束加工纳米薄片样品;通过磁性、中子衍射和洛伦兹电镜表征,构建完备的不同尺度样品的磁性相图,深入认识其自旋结构随温度、磁场和尺度的演化规律;同时,通过测量不同尺度样品的霍尔电阻与面内霍尔电阻,结合磁性相图,对比分析其拓扑霍尔效应及物理机制,阐明自旋拓扑结构与拓扑输运性质之间的依存关系,为探索和开发新型室温斯格明子材料提供实验和理论支撑,促进我国稀土功能材料的研发与应用。
英文摘要
Spin topological structures have attracted extensive attention and researches due to their rich physical properties and potential application. However, it is not clear to the relationship between spin topological structures and topological transport properties, and there are many contradictory results to be clarified. The previous results show that the rare-earth based magnetic refrigerant materials RMn2Ge2 possess multiple complex magnetic structures, and their topological spin structures change with the dimension. Meanwhile, NdMn2Ge2 presents giant topological Hall effect at room temperature. Therefore, in this project, we intend to prepare RMn2Ge2 single crystals by flux method and the nanoplate samples will be fabricated by the focus ion beam technique. By magnetic measurement, neutron diffraction and Lorentz electron microscopy characterization, the evolution of the spin structures with temperature, magnetic field and dimension will be studied, and the magnetic phase diagrams of bulk and nanoplate samples will be constructed. Furthermore, the Hall resistance and planar Hall resistance of the bulk and nanoplate samples will be measured. Combined with magnetic phase diagrams, the origin of topological Hall effect will be analyzed, so as to deeply understand the mechanism of topological Hall effect, and establish the relationship between the spin topological structures and topological transport properties. This project would provide experimental and theoretical supports for exploring novel room-temperature skyrmion materials, and promote the development of rare-earth functional materials in our country.
磁性斯格明子等自旋拓扑结构蕴含丰富的物理性质和潜在的应用价值,近年来备受关注。本项目以非共线铁磁RMn2Ge2(R=La、Ce和Nd)单晶为研究对象,研究其自旋结构随温度、磁场和尺度的演化规律,以及其拓扑霍尔效应的物理机制,阐明自旋拓扑结构与拓扑输运性质之间的依存关系。同时,在项目资助下对其他材料体系的磁性、磁热效应、电输运等物理性质展开了研究,取得成果具体如下:. (1)R=La、Ce和Pr时RMn2Ge2为单轴磁各向异性,R=Nd时存在自旋重取向;在RMn2Ge2中观察到反常霍尔效应,其主要来源于螺旋散射机制;RMn2Ge2单晶在室温附近都具有巨拓扑霍尔效应,其主要来源于非共面的自旋结构;(2)通过Ga部分取得Ge,调控Kagome晶格材料YbMn6Ge6的磁性,在Yb0.90Mn6Ge3.25Ga0.39单晶中同时获得大的本征反常霍尔电导(604.2Ω-1·cm-1)和拓扑霍尔电阻率(280K,-1.86μΩ·cm);(3)Kagome晶格材料YbMn6Sn6单晶具有典型的反常霍尔效应,并且本征机制占主导地位;(4)通过Ti元素掺杂取代Sn位,改变Mn层间相互作用,降低了Kagome晶格材料YMn6Sn6单晶的临界场,并保持较大的拓扑霍尔效应;(5)MnGaGe单晶具有可观的反常霍尔效应,其反常霍尔效应主要外禀机制所主导,声子引起的螺旋散射在该系统中起着重要的作用;(6)Si和Cu元素掺杂并未改变EuAl4晶格结构,但晶格参数呈现不规则变化,Cu和Si掺杂增强了铁磁相互作用,大幅提高了EuAl4的低场磁热效应;(7)R3Ni5Al19 (R=Ho和Er)呈现Gd3Ni5Al19型正交结构,分别在11K和2.3K发生顺磁-反铁磁转变,在低温下具有良好的磁制冷性能;(8)NdGaSi存在两个连续的磁相变,并表现出类伊辛铁磁性,在低温下具有优异的磁制冷性能。. 上述成果的取得,为新型稀土磁性拓扑材料和低温稀土磁制冷材料的发现和功能性质开发提供了重要的基础探索,为稀土功能材料的发展提供了重要基础。本项目执行期间,共发表SCI收录论文9篇,申请国家发明专利1件,在国内外学术会议做邀请报告5次;培养硕士研究生3名,均获校级优秀硕士学位论文。.
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