中子衍射研究一种新的自旋结构及巨压磁效应

　　压磁效应（Baromagnetic Effect, BME），即 压力诱导磁矩变化 的效应，其在智能设备、传感器和磁电（ME）应用等领域具有潜在应用价值。
　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组胡凤霞研究员、沈保根院士领导的团队致力于Mn基三元金属间化合物MnMX（M:过渡族元素，X:主族元素）的物性研究。其中，在MnCoGe基合金中，通过粘接合金粉末的方式引入残余应力拓宽相变温区，获得了 具有宽温区的巨大负热膨胀性能  [  J. Am. Chem. Soc.   137, 1746 (2015)]；利用原位加压中子衍射研究了其室温附近的巨压热效应 [  Sci. Rep. 5  , 18027 (2015)]。在Fe掺杂的MnNiGe合金中，利用中子衍射手段，首次解析出了 无公度圆锥螺旋磁结构 ，并利用此磁结构关联的晶格畸变和织构效应获得了 巨大负热膨胀  [  Mater. Horiz.   2020, 7, 804-810]。
　　图1 (a) 70°-CoS-FMa转换为CyS-AFMb的示意图；(b) 70°-CoS-FMa磁结构示意图；(c)变温中子衍射谱图，插图展示了(000)±磁卫星峰 (红色)、正交(101)衍射峰(绿色)和六角(002)衍射峰(紫色)的峰强随温度的变化；(d) 5 K温度下的中子衍射数据精修结果
　　近期，该课题组的胡凤霞研究员、沈保根院士及博士研究生沈斐然和周厚博，与美国国家标准局（NIST）的黄清镇教授以及物理所何伦华、王建涛研究员合作，对掺Fe的MnNiGe基合金的磁结构进行了进一步研究。前人研究表明：对于正份MnNiGe，8 kbar压力引起的原子局域环境的变化不能改变其螺旋反铁磁基态。在MnNiGe中引入Fe会引入Mn-Fe铁磁耦合，形成圆锥螺旋磁结构[  Mater. Horiz.   2020, 7, 804-810]（图1b）。在此基础上，利用变温中子衍射（图1），在Mn0.87Fe0.13NiGe合金中，于150 K温度以下，发现了一种不同于正份MnNiGe螺旋反铁磁结构的 新型摆线型反铁磁螺旋磁结构 （CyS-AFM b ）（图1a，图2）。
　　图2 (a) 正份MnNiGe中的Simple-spiral与 (b) Mn0.87Fe0.13NiGe 中的CyS-AFMb的自旋结构的示意图对比
　　这种新的自旋结构表现出对原子局域环境高度敏感，磁场、压力均可诱导磁基态的改变。原位磁场、压力下的中子衍射表明，5 K温度下CyS-AFM b 在0.6 T的低磁场转变为一种70°锥角的圆锥螺旋磁结构（70°-CoS-FM b ），其圆锥法线方向  l  仍然沿b轴，宏观表现为canted FM性；当磁场超过1 T，70°-CoS-FM b 开始逐渐转变为一种线性铁磁结构（图3）。更重要的是，当压力超过4 kbar时CyS-AFM b 演变为一种锥角为45°易磁化的圆锥螺旋磁结构（45°-CoS-FM a ）（图4），过程中晶格仍保持TiNiSi型正交结构（空间群：Pnma），但最近邻Mn-Mn(d1)和次近邻Mn-Mn(d2)键长发生了突变，使Mn/Fe位磁矩大幅下降22%，产生巨大压磁效应（图5）。0.35 T磁场下压磁系数达到5.34 emu·g-1·kbar-1，工作温区为150 K （0-150 K）；2-5 T磁场下压磁系数达到9.03 emu·g-1·kbar-1，工作温区为250 K （0-250 K），均超越之前报道的压磁材料。利用第一性原理计算研究了压力驱动的自旋结构稳定性和能带结构的变化（图6），结果表明，晶格收缩引起Mn(Fe)原子的3d电子轨道重叠，使3d电子更加巡游、d-d电子杂化能带展宽，从而导致压力下Mn(Fe)原子磁矩大幅下降。
　　图3 (a) 5 K温度下的M-H曲线，以及自旋结构随磁场的演化示意图；(b) 5 K温度下的变磁场中子衍射图谱，插图为50°-60°角度内的中子衍射图谱，其中无公度磁卫星峰(红色)和正交结构衍射峰(紫色)均已指标化；(c) 不同温度与磁场条件下的相图
　　图4 (a) CyS-AFMb磁结构示意图，(b) 压力驱动下CyS-AFMb转换为45°-CoS-FMa的示意图，(c) 120K温度下的变压中子衍射图谱，插图为48°-60°角度内的中子衍射图谱，其中无公度磁卫星峰(红色)、正交结构衍射峰(紫色)和Al制样品盒衍射峰均已指标化标出
　　图5 不同压力下，5 K、100 K、120 K、150 K和200 K温度下的M-H曲线(a)-(e)和压磁效应(f)-(j)
　　图6 (a) CyS-AFMb和45°-CoS-FMa的总能量差；(b) Δa/a = 0%下的高自旋态与Δa/a = -5%下的低自旋态的态密度(DOS)对比
　　在Mn0.87Fe0.13NiGe体系发现的新的自旋结构及其对原子局域环境敏感和随外场的丰富演化规律不仅带来了巨大压磁效应，也为探索其他新颖物理现象（如：拓扑磁性）提供了极佳平台。相关工作已发表在美国化学学会期刊[  J Am. Chem. Soc.   2021, 143, 6798–6804]上。
　　该系列工作获得科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院前沿科学重点项目的支持。