中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技基础设施。SHMFF法人单位是中国科学院合肥物质科学研究院，共建单位是中国科学技术大学。各项任务以中国科学院强磁场科学中心为依托... 更多简介 +
南京大学吴小山教授研究组的彭劲博士，借助稳态强磁场实验装置变温X射线衍射仪（XRD），对锰掺杂双层钌氧化物Ca3Ru2O7中的Mott相变的晶格-轨道调控机制进行了研究，并取得了新进展。该研究成果以“Mott transition controlled by lattice-orbital coupling in 3d-metal-doped double-layer ruthenates”为题，发表在国际期刊《物理评论B》上【Physical Review B 96, 205105 (2017)】。
在强关联电子体系中，电荷、轨道、晶格、自旋自由度之间的复杂相互作用被认为是各种新奇现象的根源。而通过化学掺杂、压力、磁场等外部条件的调控，可以有效的调节不同自由度之间的竞争和平衡，从而对体系的磁相图和电子相图进行调控，典型的例子有铜基高温超导体系和巨磁阻锰氧化物体系。Ruddlesden-Popper (RP)类型的层状钌氧化物（化学式为An+1RunO3n+1，n = 1, 2, 3……，∞）是一种具有丰富物理性质的强关联电子体系，例如Sr2RuO4（n=1）中的自旋三重态和超导电性，Sr3Ru2O7（n=2）中磁场调制电子相列相，SrRuO3（n=∞）中的巡游铁磁性质，Ca2RuO4（n=1）中的反铁磁Mott绝缘态，CaRuO3（n=∞）中的顺磁金属性等。在钌氧化物中，钌离子的4d电子具有比3d电子更大的空间延伸性，这使得钌的4d电子具有更弱的电子关联作用和更强的轨道-晶格耦合作用。因此，钌基材料对外部参量的调控更为敏感。从而，化学掺杂、磁场、压力等均能有效的调控体系的性质和基态。
前期的研究表明，某些和Ru4+离子具有相近的离子半径的3d离子，能够很容易的调节这一体系的晶体结构和物理性质。例如，少量的Ti或者Mn离子掺杂于Ru位，就可以把体系的基态从顺磁或者铁磁态调制为反铁磁绝缘态。相反，另外一些具有3d电子的离子掺杂，如Cr，Co，Fe等，会保护体系的金属相，并导致铁磁有序态。
在钌基化合物中，双层Ca3Ru2O7（n=2）是一类具有丰富物性和相图的体系。Ca3Ru2O7在奈尔温度TN~56K以下转变为反铁磁（AFM）。其反铁磁的构型是自旋在RuO2面内形成沿着a方向的铁磁，而沿着c方向的层与层之间形成反铁磁。在温度为48K时发生另一个金属-绝缘转变，同时RuO2面内的铁磁由a方向转变为沿着b方向。这两个磁转变被称作AFM-a和AFM-b。在本工作中，南京大学的彭劲博士，借助稳态强磁场实验装置变温X射线衍射仪，对Ca3Ru2O7中由少量3d电子化学掺杂引起的Mott相变进行了深入的研究。研究结果表明，轻度Mn（4%）掺杂会使该体系中的准二维金属态转变为具有G型反铁磁有序的Mott绝缘态，但是Fe掺杂却不能导致这种转变。变温XRD结果，显示了随温度的晶格变化在这一相变中起至关重要的作用。晶格变化的实验结果和第一性原理计算比较，揭示了晶格-轨道耦合是Mott相变的关键机制。研究发现，Mott相变的相变温度，已经预先由奈尔相变温度TN以上的结构参数所确定。研究结果证明，Mott相变是由于3d离子掺杂所造成的强散射中心造成的。这一图像解释了在钌氧化物中3d离子的掺杂效应。这一结果推进了人们对于4d关联电子体系中，由电荷、自旋、晶格、轨道自由度的复杂相互作用所支配的奇异的物理性质的认识。
文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.205105。
（a）由变温XRD谱获得的Ca3(Ru0.91Mn0.09)2O7和Ca3(Ru0.95Fe0.05)2O7晶格常数随温度的变化；（b）AFM-a/b和G-AFM总能量随晶格参数的变化
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