正交晶系GdNiAl3的多重磁相变与竞争相互作用机制研究

本研究针对Gd基三元金属间化合物中复杂磁行为的形成机制问题，通过综合表征正交晶系GdNiAl3的磁化率、热容及电阻率特性，首次发现该材料在72.5 K以下存在多重磁相变，揭示了由Ni中心三帽三角棱柱随机取向导致的竞争磁相互作用机制，为设计新型磁热材料提供了理论依据。

　　

在稀土基过渡金属铝化物研究领域，Gd-Ni-Al三元体系因其独特的4f-3d电子耦合作用备受关注。这类材料不仅展现出丰富的磁现象如巨磁热效应和磁阻效应，更因其零轨道角动量(⁸S_7/2态)特性成为研究纯自旋磁相互作用的理想体系。然而，具有RTX₃型结构的GdNiAl₃虽已被证实具有正交晶系(Pnma空间群)结构，其复杂的低温磁行为机制始终未被阐明。

由斯洛伐克学术机构主导的国际合作团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究中，首次系统揭示了GdNiAl₃的多重磁相变特性。通过电弧熔炼法制备的高纯多晶样品，结合X射线衍射(XRD)精修确认其与YNiAl₃同构。磁化测量发现72.5 K(T_ord)以下存在系列磁相变，零场冷却(ZFC)与场冷却(FC)曲线的显著分离暗示自旋玻璃态形成。尤为关键的是，165.5 K处的铁磁转变被证实源于GdAl₂杂质相，这一发现为后续研究提供了重要的本征特性判别依据。

研究采用多尺度表征技术：1) 同步辐射XRD确定晶体结构；2) SQUID磁强计测量DC/AC磁化率；3) PPMS系统完成2-300 K热容及电阻率测试。通过Rietveld精修定量分析相纯度，结合FULLPROF软件解析磁性相变。

【X射线衍射】
Rietveld精修显示主相为Pnma空间群的正交结构，晶胞参数a=6.42 ?，b=4.52 ?，c=13.78 ?。Ni原子配位环境呈现三帽三角棱柱构型，其随机取向导致结构无序度达12.3%，这为后续磁结构分析提供了结构基础。

【磁化特性】
直流磁化曲线在1 kOe场强下呈现两阶段转变：72.5 K处的λ型峰对应反铁磁(AFM)有序，而15 K以下的磁化率平台暗示自旋重取向。交流磁化率虚部χ"在32 K出现频率依赖性峰，证实存在动力学冻结过程。

【热力学性质】
比热测量显示T_ord处出现宽峰，拟合得到的磁熵变ΔS_m达15.2 J/kg·K。电子比热系数γ=42 mJ/mol·K²表明强电子关联效应，与电阻率在T_ord处的突变行为相互印证。

该研究最终阐明GdNiAl₃的复杂磁行为源于三重机制：1) Gd³⁺-Gd³⁺直接交换作用主导的AFM基态；2) Ni-Al框架几何阻挫诱导的竞争相互作用；3) 结构无序导致的磁畴钉扎效应。这不仅完善了RTX₃型化合物的磁相图，更为调控磁热材料的相变级联效应提供了新思路。作者特别指出，通过精确控制Ni-Al配位环境，有望实现磁制冷温区的连续调控，这对开发液氢温区磁制冷工质具有重要指导价值。