基于中子衍射研究锰钴锗基合金磁-结构耦合机制及调控行为

The strong coupling of multiple degree of freedom in first-order magnetic-transition materials brings a variety of intriguing phenomena, e.g. giant magnetocaloric effect, magnetic shape memory effect. Understanding and tuning the coupling of the multiple degree of freedom has become a hot topic in this area. Here we propose systematic neutron-scattering investigation on the mechanism of the magneto-structural coupling in MnCoGe-based alloys. We will perform neutron diffraction experiments to monitor both the magnetic and structural evolution for the separated martensitic and ferromagnetic transitions as well as the coupled magneto-structural transition, respectively. We will reveal the similarity and difference among the temperature-, magnetic field- and pressure-induced magneto-structural transition. In combination of first-principles calculation, the relationship between the critical temperature/field/pressure and the magnetic moment/interatomic distance/electronic density will be clarified. These results can help us to elucidate the mechanism of the magneto-structural coupling, as well as the roles that the magnetic phase transition and the structural transition play in the magneto-structural transition. Apart from that, the key parameters that dominate the critical temperature/field/pressure will be uncovered. Based on these results, we will then try to reduce the critical temperature/field/pressure based on composition optimization and multi-stimuli. Our work will offer new insight into the magneto-structural coupling in the first-order magnetic transition materials and paves the way for their application in energy conversion, intelligent sensing and biomedical area.

一级磁相变材料中多重自由度之间的强耦合作用带来了丰富的物理现象，如巨磁热效应、形状记忆效应等，理解并调控这种强耦合作用是当前该领域的研究热点。本项目拟利用中国散裂中子源的通用粉末衍射谱仪深入研究锰钴锗基合金的磁-结构耦合机制及其调控行为。具体研究内容包括：利用中子衍射系统研究该合金发生纯铁磁相变、纯结构相变以及磁-结构耦合相变时磁结构、晶体结构的演变规律，对比温度、磁场和压力等不同外场驱动磁-结构耦合相变的共性与差异；结合第一性原理计算，建立相变临界场与磁矩、原子间距、电子密度分布之间的关联性，阐明磁相变和结构相变在磁-结构耦合相变过程中所扮演的角色及其耦合机制，揭示控制相变临界场的关键参数；据此，通过成分调控和多物理场耦合等方式降低该合金体系的相变临界场。本项目的研究成果对于进一步理解一级磁相变材料中多重自由度的耦合机制，推动其在能量转换、智能传感、生物医疗等领域的应用具有重要意义。

MnCoGe基合金中同时存在马氏体结构相变和铁磁相变，通过调控磁、结构相变发生耦合有望实现巨磁热效应、铁磁形状记忆效应等丰富物性，应用于固态制冷、智能传感、能量转换、生物医疗等领域。针对MnCoGe基合金应用面临的主要挑战——驱动其磁-结构耦合需要较高的驱动场（临界场），本项目利用中子衍射和第一性原理计算，重点开展了三项研究内容：（1）MnCoGe基合金磁相变与结构相变的耦合调控及机制研究；（2）MnCoGe基合金中晶格-自旋-电子耦合机制研究；（3）MnCoGe基合金磁-结构耦合相变的热滞调控及机制研究。通过以上内容的研究，取得了以下关键研究结果：（1）利用元素掺杂、替代、非化学计量比等手段在MnCoGe合金中实现了磁相变与结构相变的耦合与脱耦合调控，利用第一性原理计算和中子衍射实验研究了高温六角相晶体结构和电子结构随合金成分的演变规律，建立了高温六角相化学键强度、原子间距与结构相变温度之间的关联性，阐明了MnCoGe基合金磁相变与结构相变耦合的调控机制；（2）利用原位中子衍射系统研究了MnCoGe基合金金发生纯铁磁相变、纯结构相变以及磁-结构耦合相变时晶体结构、磁结构、电子结构的演变规律，建立了相变临界场与磁矩、原子间距、电子密度分布等参数之间的关联性，揭示了MnCoGe基合金的磁-结构耦合源于其较强的晶格-自旋-电子耦合相互作用；（3）深入研究了MnCoGe合金体系马氏体相变晶体学，将几何非线性理论引入到MnCoGe合金体系中，基于两相晶体学关系和中子衍射实验精修所得的晶格常数，计算出MnCoGe合金的磁-结构相变的拉伸张量，建立了相变热滞与两相结构兼容度之间的关联性，提出了降低相变临界场、提高相变可逆性的有效策略。本项目的研究成果对于进一步理解一级磁相变材料中多重自由度的耦合机制，提升其低驱动场下丰富物性具有重要意义。