关于CeAg磁性和磁热行为的理论研究：CeAg表现出铁磁性和四极有序现象

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Theoretical insights into the magnetic and magnetocaloric behavior of CeAg exhibiting ferromagnetic and quadrupolar order

本研究通过平均场模型分析CeAg合金的磁学与磁热学性质，揭示其铁量子四极有序转变（TQ≈15K）和铁磁有序转变（TC≈5.5K）的耦合效应，成功模拟磁化行为、各向异性和自旋重取向，发现沿<110>晶向的磁场引发逆磁热效应，凸显多极相互作用对磁热响应的关键作用。

　　

P.J. 冯·兰克（P.J. von Ranke）

阿曼多·迪亚斯·塔瓦雷斯物理研究所（Instituto de Física Armando Dias Tavares），里约热内卢州立大学（Universidade do Estado do Rio de Janeiro，UERJ），地址：Rua S?o Francisco Xavier, 524，邮编20550-013，里约热内卢，巴西。

摘要

我们研究了金属间化合物CeAg的磁性和磁热性质。该化合物在T_Q约15 K时发生铁四极子转变，在T_C约5.5 K时发生铁磁转变。通过使用一个包含晶体电场效应、四极子耦合、交换作用和塞曼项的哈密顿模型，我们再现了该系统的关键特征，包括自旋重定向和磁各向异性。模拟得到的热容具有两个峰值，与实验数据吻合良好。对于不同的晶体方向和场强，我们计算了磁热量ΔS_T和ΔT_ad。值得注意的是，我们发现沿〈110〉轴施加磁场时存在逆磁热效应，这与自旋重定向和四极子序的突然变化有关。这些结果强调了多极相互作用在塑造磁热响应中的关键作用。

引言

磁热效应（MCE）是指在绝热条件下施加磁场会导致温度变化，在等温条件下会导致熵变化的现象。这种热力学响应源于磁自由度与外部磁场之间的耦合，使得磁热效应成为磁制冷和固态冷却技术中的重要工具[1]。与传统的气体压缩制冷相比，磁制冷具有更高的能量效率、环境可持续性（因为它不产生温室气体）以及更紧凑的设计[2]。

磁制冷的实际应用需要识别和开发在室温附近具有较大磁热响应的材料，用于家庭和工业冷却；或者在低温下用于特殊应用，如氢或氦的液化[3,4]。已经研究了多种类型的磁热材料，包括稀土金属间化合物、锰氧化物和赫斯勒合金[5]。在稀土化合物中，具有偶极子和多极子有序耦合的材料（如四极子或八极子矩）特别值得关注，因为它们可以表现出丰富的磁相变，从而增强或改变磁热响应[6,7]。

对复杂磁系统中的磁热效应进行理论建模通常需要考虑各种相互作用，例如晶体电场（CEF）、交换耦合和高阶多极相互作用。特别是平均场模型已被广泛用于描述稀土化合物的热力学行为，能够以合理的准确性和可解释性捕捉其磁性和热性质的关键特征[8]。

在这项工作中，我们研究了金属间化合物CeAg的磁热性质。CeAg具有CsCl型立方晶体结构。该化合物经历了两个不同的磁相变：在T_Q约15 K时发生铁四极子转变，在T_C约5.5 K时发生铁磁转变[9]。这两个转变反映了Ce³⁺离子的四极子和偶极子序的相继有序，它们的相互作用导致了复杂的磁行为。为了理论描述CeAg，我们开发了一个平均场模型，其中包含了四个主要贡献因素：晶体电场、四极子相互作用、交换作用和塞曼项[8]。

我们的模型揭示了磁各向异性、磁化强度的温度依赖性以及高磁场下的自旋重定向过程。通过考虑电子和声子熵的贡献，我们还计算了总熵，并获得了等温熵变（?ΔS_T）和绝热温度变（ΔT_ad）在不同方向和磁场强度下的依赖性。值得注意的是，当磁场沿<110>晶体方向施加时，我们观察到了逆磁热效应，这归因于自旋重定向和四极子序参数的不连续变化。

本研究的结果强调了多极相互作用和磁晶各向异性在塑造基于Ce的金属间化合物的磁热响应中的重要性。它们还突显了平均场方法在理解和探索相关电子系统中的复杂磁热现象方面的预测能力。

章节摘录

理论

金属间化合物CeAg具有CsCl型晶体结构。在REAg（RE = 稀土）系列中，CeAg因其同时具有铁四极子转变、结构变化和低温下的铁磁有序而成为一个理想的模型系统，这有助于研究这些现象如何影响磁热响应。在T_Q约15 K附近，它经历了从立方对称性到四方对称性的结构相变，这一变化是由

模型应用、结果与讨论

我们模拟中使用的三个磁模型参数为：$\Delta =25.800\mathrm{meV}$、$G_1=0.019\mathrm{meV}$和${\mu }_B\lambda =0.147\mathrm{meV}$。参数$\Delta$的值是根据参考文献[16]中报道的，用于设定Γ₈（基态）和Γ₇（激发态）之间的CEF能量分离。参数$G_1$和${\mu }_B\lambda$的值经过调整，以匹配参考文献[10]中描述的四极子和偶极子磁序。图1显示了（2?J +1）磁能态的温度依赖性。在T_Q = 15?K以上的顺磁相中

总结

我们提出了对金属间化合物CeAg的磁性和磁热性质的理论研究。该化合物在T_Q约15?K时发生铁四极子转变，在T_C约5.5?K时发生铁磁转变。我们开发了一个包含晶体电场效应、四极子相互作用、交换作用和塞曼项的平均场模型。该模型成功再现了磁化行为、磁各向异性以及与这些过程相关的自旋重定向现象。

CRediT作者贡献声明

P.J. 冯·兰克（P.J. von Ranke）： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、资源准备、项目管理工作、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析以及概念框架的构建。

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

我们感谢CAPES（巴西高等教育人员培训协调委员会，Finance Code 001）、CNPq（国家科学技术发展委员会）和FAPERJ（里约热内卢州研究基金会）的财政支持。