Ni-Mn-Ga单晶宽带铁磁共振研究：马氏体-奥氏体相变中磁晶各向异性的显著变化

本研究通过宽带铁磁共振（FMR）技术，揭示了Ni50Mn28.1Ga21.9单晶在室温至120°C马氏体-奥氏体相变过程中磁晶各向异性的剧烈变化（达一个数量级），并验证了单变体马氏体相中Kittel共振条件的适用性（g=2.0）。该工作为磁性形状记忆合金（MSM）的磁各向异性调控提供了关键实验依据，对开发新型磁驱动器件具有重要意义。

　　

磁性形状记忆合金（Magnetic Shape Memory, MSM）因其在磁场作用下可产生高达12%的可逆应变而备受关注，其中Ni-Mn-Ga合金是典型代表。这类材料的独特性能源于马氏体相变过程中磁晶各向异性的显著变化，但此前对相变过程中动态磁性能的精确表征仍存在技术挑战。尤其当单晶材料发生马氏体相变时，孪晶变体的复杂相互作用使得传统铁磁共振（Ferromagnetic Resonance, FMR）数据的解释变得困难。已有研究显示，通过X波段微波频率测得的各向异性常数与磁化测量结果存在显著差异，这很可能源于对晶体结构变化的错误假设。

捷克的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的工作，通过宽带FMR技术（频率覆盖22 GHz以上）系统研究了Ni₅₀Mn_28.1Ga_21.9单晶在相变温区（室温至120°C）的动态磁响应。研究采用改进的Kittel共振条件分析表面趋肤效应下的共振行为，结合场冷技术控制单变体/多变体马氏体结构，首次明确了相变过程中磁晶各向异性突变与共振场跳变的定量关系。

关键技术方法包括：1）高频FMR系统（频率可调）结合温控装置；2）基于Cu模铸造法制备单晶样品；3）场冷技术诱导单变体马氏体形成；4）改进的Kittel薄膜共振模型分析非均匀微波场效应。

研究结果

1. 单变体马氏体相：当磁场平行于易磁化c轴时，共振仅出现在>22 GHz频率，符合g=2.0的Kittel薄膜共振条件，证实表面趋肤层内的均匀激发近似有效。
2. 多变体马氏体相：需引入孪晶变体间的磁耦合作用才能拟合Kittel方程，揭示孪晶界面对磁各向异性的调控作用。
3. 奥氏体相：在逆相变温度附近检测到弱磁各向异性，与前期磁测量结果一致。

讨论与结论
该研究通过原位FMR技术解析了Ni-Mn-Ga单晶相变过程中磁性能的突变机制：1）马氏体相变导致磁晶各向异性变化达一个数量级，直接表现为共振场的阶跃式变化；2）单变体状态下经典Kittel模型的适用性验证了该体系作为理想薄膜模拟材料的潜力；3）多变体状态下的共振峰分裂现象为理解孪晶磁耦合提供了新证据。这些发现不仅解决了先前X波段测量与磁化数据的矛盾（源于未考虑相变结构演变），更为设计基于磁各向异性调控的MSM器件提供了定量参数。

研究由捷克科学基金会（22-22063S）和欧盟联合资助，Luděk Kraus为第一作者。论文创新性地将宽带FMR技术应用于MSM合金相变研究，建立了磁动态响应与微观结构演变的直接关联，为后续开发高频磁控器件奠定了理论基础。