非共线磁结构Heusler合金的设计以及磁性和磁输运性质的研究

Due to the unique magnetic coupling and instability of the magnetic structure, non-collinear magnets exhibit special phenomenon, i.e. skyrmions, anomalous Hall effect and giant spin-valve like magnetoresistance. Therefore, non-collinear magnets provide essential ingredients for the next generation memory technology, having great potential applications in spintronics. It is a new prospect for the Heusler compounds, due to the diverse range of other fundamental features. But so far, only few Heusler compounds are found to be non-collinear. Based on our research experiences in Heusler alloys, this project will build a new theory to develop new non-collinear Heusler alloys through controlling the magnetic interaction and structure symmetry. Based on the knowledge in magnetic theory of Heusler alloys and atomic site preference rule, combining with experimental and theoretical methods, the physical mechanism of design non-collinear Heusler alloys will be investigated; the relationship between the magnetic properties and structure will be revealed; the influences of the atomic occupation, the ordering degree, the crystal lattice distortion, and the magnetic field and temperature conditions on the magnetic structure and magnetotransport properties will be elucidated. In that way, we can find new-type non-collinear Heusler alloys for practical applications.

由于非共线磁性独特的磁耦合方式以及不稳定的磁结构，导致该类材料中有特殊的斯格明子，反常霍尔和磁电阻等现象。这些特性使得非共线磁性体已经成为磁电子学器件的重要核心材料。非共线磁性的特性也为物理性质丰富的Heusler合金的研究打开了新的视角。但是到目前为止，发现的具备非线性磁性的Heusler材料的例子却是极少。我们通过多年从事Heusler合金研究工作的积累，基于对Heusler合金的特色理解，获得了通过调控近邻的磁性交换作用和结构对称性，设计新型非共线Heusler合金的思路和方法。本项目将采用实验和理论相结合的方法，揭示利用原子占位与磁性耦合关系以及对称性调控设计非共线磁结构Heusler合金的物理机制；研究磁性与结构之间的相互关联关系；阐明原子占位有序度、晶格畸变、结构对称性、磁场、温度等条件对磁结构、磁性能和磁输运性质的影响规律；获得具有实用性的新型非共线Heusler合金材料。

近年发现非共线磁结构出现了许多引人关注的新颖物性，如电流驱动畴壁和涡旋，自旋轨道耦合导致的磁电关联效应等。这些新颖现象为诸如低电流诱导自旋转矩，隧道结以及分子自旋电子学等自旋电子学领域的发展提供了广阔的平台。本项目以非共线磁性材料为研究对象，深入研究非共线磁结构对磁性和输运性质的影响规律，主要研究成果包括：（i）发现Mn3Ga经过不同的热处理条件可以形成Heusler结构、六角结构和面心立方结构。首次发现六角非共线反铁磁Mn3Ga中伴随六角到正交结构相变引起的反常霍尔效应向拓扑霍尔效应的转变，这主要归因于结构变化引起的磁结构转变；（ii）通过Fe、Cr掺杂Mn3Ga，对Mn3Ga的结构和磁性进行调制，发现了结构的多样性引起的磁性多样性；（iii）对Heusler合金Mn2PtSn马氏体状态下磁性重取向引起的霍尔效应进行了研究。在该合金中获得了高达1.53 micro-ohm·cm的拓扑霍尔电阻率。结果表明非共面磁性耦合主要来源于合金中铁磁和反铁磁的竞争；（iv）对Cr掺杂的Mn3Sn样品的磁性进行了研究，获得了持续到室温的交换偏置场；（v）初步研究了MnFeSn中结构和磁结构变化引起的多步霍尔效应的演化及其物理机制；（vi）对NiFeGa甩带样品的磁阻挫系统和自旋玻璃现象，巨磁电阻进行了研究，研究表明这些现象来自材料中的微观结构反向畴界与磁畴的相互作用；（vii）对其它一些Heusler型合金的磁性和电子性能的研究。相关在基金资助下，我们已发表论文14篇，培养研究生7名。