进展 | 中子衍射研究：一种新的自旋结构及巨压磁效应

图2 (a) 正份MnNiGe中的Simple-spiral与 (b) Mn_0.87Fe_0.13NiGe 中的CyS-AFM^b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-AFM^b磁结构示意图，(b) 压力驱动下CyS-AFM^b转换为45°-CoS-FM^a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-AFM^b和45°-CoS-FM^a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Mn_0.87Fe_0.13NiGe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。

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编辑：Eric

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