量子磁体由于其许多奇怪的现象引起了人们的极大兴趣。量子磁体可以通过控制量子临界点附近的量子相变来创造全新的物质相态。最简单的量子磁体之一由强耦合自旋二聚体组成。二聚体内的反铁磁耦合产生无序的量子顺磁单线基态，在第一激发态的三线态和基态之间具有自旋能隙。二聚体之间的相互作用导致三重态能带分散。磁场、压力和掺杂等外部参数已被证明可以闭合自旋间隙并产生磁序。目前，人们提出了对三重态基态的多种描述，包括玻色-爱因斯坦凝聚态、三重态晶体和超固体等。在二聚量子磁体的量子临界点，单重态基态与最低三重态能带色散的底部相交，导致玻色-爱因斯坦凝聚。探索新的量子磁体和量子临界点附近的物质态极其重要。然而，目前已知的二聚量子磁体仅限于少数氧化物和卤化物。
近日，爱荷华州立大学张震/Vladimir Antropov/Kirill Kovnir、厦门大学孙杨、内布拉斯加大学林肯分校Kirill D. Belashchenko团队近期对三元金属硼化物MTB4（M=Sc，Y ，La，Ce，Lu，Mg，Ca，Al，T=V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni），发现了九种稳定和亚稳态二聚体量子磁体。在MTB4材料中，3D过渡金属原子以二聚结构稳定排列（图1）。 3D 过渡金属原子的自旋极化在内部二聚体、面外内部二聚体和面内自旋梯的经典图像中形成磁耦合。
图1. MTB4 的晶体结构。图片来源：J.Am.Chem。
这类材料的非自旋极化电子结构在费米表面附近具有强范霍夫奇点的特征，这会引起磁不稳定性并导致材料产生不同的磁基态。这些范霍夫奇点源自层状二聚体原子结构（图2）。
图2. 非自旋极化电子的能态密度和能带。图片来源：J.Am.Chem。
此类材料的量子磁性主要由Cr 原子二聚体（Cr 和Mn，其中M=Mg 和Ca）内的强反铁磁相互作用主导（图3）。通过对磁交换耦合参数的分析，作者表明这些系统接近位于具有自旋能隙的不规则单线态自旋二聚体相和我认为的有序常规尼尔反铁磁相之间的量子临界点。因此，它们显着丰富了自旋间隙相的材料库。作者合成了预测的YFeB4 相，为研究含铁二聚体结构和自旋梯模型提供了稀有的候选材料（图4）。
图3. MTB4 材料系列中的磁性结构。图片来源：J.Am.Chem。
图4.实验合成的YFeB4 粉末的X 射线衍射。图片来源：J.Am.Chem。
综上所述，本研究发现的量子磁性和常规磁系统为研究非常规量子相变提供了丰富的材料系统。未来，掺杂将允许进一步调节磁交换耦合和相变。这项工作为研究硼化物中自旋二聚体诱导的新型磁性开辟了新途径，并为未来探索其他材料系统中的二聚体量子磁体建立了理论工作流程。
研究结果最近发表在《J. Am》上。论文第一作者为美国爱荷华州立大学博士后张震。通讯作者为厦门大学孙阳副教授。美国内布拉斯加州林肯大学的Kirill D. Belashchenko 教授、Kirill Kovnir 教授和Vladimir Antropov 教授。一个研究小组最近基于理论预测和实验合成发现了一系列新型金属硼化物材料（Inorg. Chem. 2024, 63, 86548663; npj Comput. Mater. 2023, 9, 204; Inorg. Chem. 2022, 61 ），1815418161）。
推出一系列三元金属硼化物二聚量子磁体、传统反铁磁体和非磁体
张震、Andrew P. Porter、Yang Sun*、Kirill D. Belashchenko*、Gayatri Viswanathan、Arka Sarkar、Eranga H. Gamage、Kirill Kovnir*、Kai-Ming Ho、Vladimir Antropov*
化学学会，2024，DOI: 10.1021/jacs.4c05478
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