β-Mn型Co10?x/2Zn10?x/2Mnx（x = 0和2）合金的结构、磁性和临界行为

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Structural, magnetic and critical behaviour of β-Mn type Co10?x/2Zn10?x/2Mnx (x = 0 and 2) alloys

Co-Zn-Mn合金的合成与磁性临界行为研究表明，两种名义成分（x=0和2）合金均具有β-Mn型手性立方结构，空间群P4?32。磁化测量显示Mn掺杂抑制磁有序，临界区分析得Curie温度Tc=448.03(418.03)K，临界指数β=0.368(0.376)、γ=1.382(1.386)、δ=4.755(4.686)，与3D最近邻海森堡模型理论预测一致。

　　

帕尔迪普| 拉利塔| P.D. 巴布| G.A. 巴希德

CSIR-国家物理实验室（NPL），K.S. 克里希南路，新德里，110012，印度

摘要

我们报告了Co_10?x/2Zn_10?x/2Mn合金在标称组成x = 0和2时的结构、磁性和临界行为。Rietveld精修分析显示这两种合金都具有β-Mn型手性立方结构（空间群P4₁32）。磁化测量表明，Mn的替代会抑制磁序。对于x = 0(2)的合金，在临界区域进行了研究，测得居里温度Tc = 448.03(418.03) K，以及临界指数：β = 0.368(0.376)，γ = 1.382(1.386)，δ = 4.755(4.686)。详细分析表明，这些指数与分析方法无关，并且接近3D最近邻海森堡模型的理论预测。

引言

凝聚态物理学中的斯格明子相重新激发了人们对高效、高速自旋电子器件发展的兴趣和乐观态度[1]、[2]、[3]。考虑到其实际应用，具有室温以上Tc值的斯格明子宿主磁性材料应被全面研究，以设计自旋电子器件。在发现室温及以上温度下的磁性斯格明子后，手性β-Mn型Co-Zn-Mn合金变得尤为重要[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。Co-Zn-Mn合金中的斯格明子相被认为是由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和铁磁交换相互作用之间的竞争产生的。

这些材料的有趣特性及其复杂的物理机制促使人们进行了大量研究，以了解这些系统的基本特性。关于居里温度接近室温的Co-Zn-Mn合金的几项研究表明，它们具有亚稳态斯格明子[10]、手性中间相[12]、无序斯格明子相[13]、畴壁二聚体[14]和拓扑霍尔效应[15]等特性。为了更深入地理解β-Mn相中的这些异常现象，临界行为分析是一种有效的方法，它提供了关于潜在磁相互作用的宝贵微观见解。此外，分析临界指数有助于与文献中的现有理论模型建立关联。尽管已经对Co-Zn-Mn合金进行了大量研究以了解其磁相互作用，但据我们所知，尚未有研究探索不含Mn的Co-Zn-Mn合金的临界行为。因此，探索Co-Zn-Mn系列的另一端（特别是居里温度最高的合金）是至关重要的。

纯β-Mn元素具有非中心对称的简单立方结构，其中20个Mn原子分布在两个不等价的8c和12d晶位点上。由于Mn在12d位点的强反铁磁相互作用，纯β-Mn合金的基态是一种量子自旋液体[16]，并处于磁矩形成的边缘。Zn和Co的替代增加了晶格常数和d电子的数量，从而在相对较高的温度下增强了合金内的磁交换相互作用，导致磁有序的形成[17]、[18]。

在这项工作中，我们成功合成了单晶Co_10?x/2Zn_10?x/2Mn(x = 0和2)合金，并使用多种方法确定了临界指数，旨在全面理解Co-Zn-Mn系统的磁性。多晶合金的磁临界行为分析表明，其磁相关性属于3D-海森堡普适性类别。

实验细节

目前的β-Mn-Co₁₀Zn₁₀合金是通过两步固态反应方法合成的[19]。将纯Co和Zn粉末按化学计量比彻底研磨成颗粒状，密封在真空石英管中，并在1073 K下预退火60小时。预退火后，将不规则的锭体粉碎成细粉，然后制备成样品。样品再次密封在真空石英管中，在1073 K下进行后退火120小时。

结构表征

图1(a, b)展示了Co_10?x/2Zn_10?x/2Mn(x = 0和2)合金的XRD图谱。XRD图谱使用FullProf软件进行了精修，假设这两种合金都具有P4₁32空间群的β-Mn型手性立方结构。β-Mn结构的晶胞包含两个不同的Mn原子位点，分别称为8c和12d。先前的理论计算[11]、[20]表明，Co原子更倾向于占据8c位点。

结论

在这项工作中，我们成功合成了多晶Co_10?x/2Zn_10?x/2Mn(x = 0, 2)合金，并对其在临界区域的结构、磁性和标度性质进行了全面研究。室温下的X射线衍射图谱显示了β-Mn型晶体结构，而磁数据表明Mn的替代抑制了磁序。通过多种技术估算的临界指数β、γ和δ彼此吻合良好，并遵循标度律。

CRediT作者贡献声明

帕尔迪普：撰写原始稿件、方法论、研究、形式分析、概念化。拉利塔：研究、形式分析。P.D. 巴布：撰写与编辑、数据管理。G.A. 巴希德：监督、资源提供、项目管理、方法论、概念化、研究、验证、撰写与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

帕尔迪普感谢印度大学拨款委员会提供的研究经费支持。