由於自旋量子效應的存在, 低維磁性材料會出現與三維磁性材料不一樣的磁性基態. 對於二維自旋體系, 量子漲落和熱漲落之間的競爭將主導磁相變行為, 長程序反鐵磁相變有可能克服量子漲落而出現. 但是, 包含三角自旋網格特別是籠目(kagome)晶格的磁性材料, 強烈的幾何阻挫和量子自旋漲落的作用會使長程有序的基態無法形成. 對低維磁性材料的有序-無序量子相變現象的探索和對其機理的闡明是關聯電子體系中有待深入理解的基本物理問題, 是目前材料科學和凝聚態物理領域最重要的研究熱點之一.
近日, 中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室何長振課題組製備了自旋S = 1/2的同構化合物BiOCu2(XO3)(SO4)(OH)·H2O [X = Te(1), Se(2)]. 該系列化合物具有典型的二維層狀結構, 二價Cu2+磁性離子的平面拓撲結構是介在籠目(kagome)晶格和星(star)晶格之間的新型自旋晶格. 磁性測試結果表明, 化合物1出現了非磁性自旋能隙基態, 而化合物2在24K以下出現反鐵磁有序態. 理論計算類比看出化合物1的自旋能隙基態可能是由於Cu2+離子的二聚體化, 化合物2的反鐵磁基態則克服了Cu2+離子的二聚體化. 這種由非磁性離子置換誘導的有序-無序量子相變現象在二維籠目(kagome)晶格相關體系中比較罕見. 研究成果發表在《美國化學會志》上.
研究工作得到了國家自然科學基金面上項目和中科院重點部署項目的支援.
