铁磁补偿温度下钬铁石榴石(Tb3Fe5O12)内部磁化的极化中子成像研究：从宏观磁矩消失到微观自旋结构解析

本研究通过极化中子成像技术首次实现了对钬铁石榴石(TbIG)在补偿温度Tcomp下的内部磁化动态可视化，结合中子自旋回波谱仪和SQUID磁强计验证了宏观磁矩消失时微观自旋极化仍存在的关键特征，为探索超越标准模型的电子自旋相互作用及磁畴动力学提供了创新实验平台。

　　

在磁性材料研究领域，铁磁体(TbIG)因其独特的补偿温度(T_comp)特性长期备受关注。当温度达到T_comp时，材料宏观磁矩神奇消失，但微观尺度上反铁磁耦合的Tb³⁺和Fe³⁺亚晶格仍保持自旋极化。这种"零磁矩却含自旋极化"的量子态，不仅是检验基本相互作用的理想体系，更为开发新型自旋电子器件提供了可能。然而传统磁测量技术仅能探测外部磁场，对T_comp下内部磁结构的认知长期停留在理论推测阶段。

美国橡树岭国家实验室联合研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表突破性成果。研究人员创新性地将极化中子成像(PNI)与中子自旋回波谱(NSE)联用，首次实现对TbIG在T_comp附近内部磁场的直接成像。通过精确控制温度场并同步采集三维磁化数据，揭示了从亚毫米尺度磁畴结构到原子级自旋分布的完整图像。

关键技术包括：1) 共沉淀法制备高纯度TbIG多晶样品；2) 基于SNS-NSE谱仪的超灵敏内部磁场线积分测量；3) HFIR反应堆MARS成像站点的定制化极化中子断层扫描系统；4) 结合X射线衍射(XRD)与SQUID磁强计的交叉验证。

【Fabrication】部分显示，通过优化NaOH沉淀工艺将TbFeO₃杂质相控制在3%以下，XRD确认样品为单相立方晶系(Ia-3d空间群)。【Neutron spin echo measurements】证实，NSE相位信号在T_comp=250K时归零，与SQUID测量的宏观磁化曲线完美吻合。【Polarized neutron imaging】章节的二维Larmor旋进图像直观显示：在T_comp上下20K区间，中子自旋转角发生180°反转，直接证明磁化方向反转；而T_comp时全域信号消失证实内部磁场完全补偿。

讨论部分指出三个里程碑发现：首先，实验验证了经典平均场理论对TbIG的预测——T_comp时净磁矩消失但自旋密度ρ_s保持3.7×10²¹cm^-3；其次，未观测到理论预言的磁倾角θ_c，表明晶格相互作用主导磁结构；最重要的是建立了TbIG作为"零场自旋源"的实验基础，为后续探索自旋-引力耦合等新物理提供了独特平台。

这项研究的意义远超传统磁学范畴。C.D. Hughes团队发展的多模态中子探测方法，不仅解决了铁磁体微观磁结构测量的技术难题，更开辟了利用量子材料探索基本相互作用的实验路径。正如文末展望所述，正在进行的磁畴统计分析可能揭示T_comp附近的拓扑缺陷动力学，而极化中子与自旋极化的相互作用测量，或将约束超越标准模型的轴子类粒子耦合常数。