项目名称： 强磁场下新型磁性材料物态调控和器件研究
项目负责人：徐刚
申报单位： 华中科技大学
项目经费： 997万元
实施周期： 2024.12-2029.11
项目简介：
磁性材料是探索量子新物态、新效应，催生新应用，推动信息技术革命的前沿重点领域。强磁场对磁性材料中的电子自旋和量子物性具有极强的调控能力，是准确表征、精准操控新物态、新效应，开发高性能器件的必要手段。如何发展脉冲强磁场下的力、热测量，开展强磁场下磁性材料的力、热、磁、电综合物性表征和调控，阐明微观机理和调控规律，实现自旋物态的精准操控，制备高性能新器件是整个领域面临的重要挑战。本项目将针对“强磁场等极端条件下新型磁性材料研究”的指南要求，依托脉冲强磁场装置，围绕优质新型磁性材料合成、强磁场测量技术开发、量子物态表征和调控、高性能器件制备开展研究。拟解决的关键科学技术问题包括： 1）设计合成具有丰富自旋量子新物态、新现象，物理效应显著，应用潜力巨大的高质量量子磁性材料。 2）开发强磁场下高精度的磁致伸缩和热导率测量装置。 3）开展强磁场下力、热、磁、电综合物性表征和调控研究，发展量子自旋液体、多极矩序等量子新物态的实验和理论判定方法，阐明新机理，揭示新规律。 4）设计制备小单元尺寸、低功耗、高磁场分辨率、性能优越的磁性感存算原型器件。针对上述问题，项目分解为四个课题，各课题的研究内容和技术路线如下：一、新型磁性材料设计制备与自旋新物态探索：理论和实验密切结合，根据几何阻挫、配位环境、磁交换作用、自旋轨道耦合强度和序参量耦合效应的多维度分析，设计合成具有丰富量子物态的高质量磁性新材料；结合强磁场下综合物性测量和计算模拟，发现强磁场驱动的量子自旋液体态、非线性磁电效应等量子新物态、新效应，绘制磁场调控相图，阐明调控规律。二、新型磁性材料磁、力性能测试和调控：采用电容膨胀计和布拉格光栅法结合方案，研制脉冲强磁场下高精度三轴磁致伸缩测量装置；制备优质磁电材料；结合磁化、电极化、磁致伸缩测量，实现磁场下电磁交互调控和拓扑磁电开关效应揭示其物理机制和调控规律。三、新型磁性材料电、热性能测试和调控：利用基于长平顶脉冲磁场的改进型闪光法，发展热导率的毫秒级快速测量技术，研制磁场下高精度热输运测量装置；绘制量子自旋液体候选材料的热输运磁温相图，利用电中性准粒子激发的热输运特性发展强磁场下量子自旋液体判定方法。四、新型磁性器件设计、制备和测试：利用微磁学模拟计算、高精度微纳加工等方法，构建强限阈结构单元，设计、制备小单元尺寸、高磁场分辨率、低功耗的拓扑磁结构感存算原型器件；开展强电磁极端条件测试，获得抗干扰性强的高服役性能自旋器件。四个课题通力合作、协同推进，共同达到项目目标：合成 4-6 种优质新型量子磁性材料；开发脉冲强磁场磁致伸缩（磁场 0-60T，精度<10^-7@1√Hz）、热导率（磁场 0-50T，精度<1W/(K∙m)）测量装置；发现 3 种强磁场驱动的自旋新物态，绘制至少 1 种量子自旋液体磁温相图，发展强磁场下量子自旋液体热输运判定方法实现高于 40T 磁场下的电磁交互调控和拓扑磁电开关效应；制备 3 种基于拓扑磁结构的感存算原型器件，单元尺寸<0.6 微米，磁场分辨率<0.1nT@1Hz，功耗<0.8mW。项目成果将大幅提升我国脉冲强磁场装置的服务能力，加深对自旋量子物态及其机理和调控规律的理解，促进相关领域前沿基础研究和技术应用。项目依托华中科技大学、合肥物质科学研究院等相关领域优势单位。项目成员集结了 13 位材料生长、强磁场测量技术、自旋量子物态和自旋器件领域的一线杰出学者，包括长江学者特聘教授 1 人，国家级人才计划入选者 3 人次，近五年在该领域发表 Nature、 Science 及子刊、 PRL 等文章 45 篇，取得了多项具有重要国际影响力的原创成果，可以保障项目顺利完成。
