通过磁热效应揭示Fe?SiO?（费亚石）中的磁转变

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Unveiling magnetic transition in Fe 2SiO 4 Fayalites via Magnetocaloric effect

磁热效应与相变研究：Fe?SiO? fayalite在30K和70K处分别发生倾斜铁磁体到共线铁磁体的相变，以及共线铁磁体到顺磁体的相变，磁熵测量揭示了常规磁化方法无法检测的第二相变。

　　

Y. Errouyessi|M. Lassri|S. El Ouahbi|L. Bessais|B. Manoun|H. Lassri|R. Moubah

摩洛哥卡萨布兰卡哈桑二世大学艾因肖克分校LPMAT理学院

摘要

本研究探讨了${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{SiO}}_4$铁橄榄石的磁性和磁热性质。在0.01 T的磁场下进行的经典磁化测量显示，该材料仅在30 K时发生从倾斜反铁磁态到共线反铁磁态的转变。通过测量不同温度和磁场下的磁熵（-ΔS_m），发现存在两个明确的峰值，对应于两次磁转变：一次发生在临界温度（T_C）约30 K处，另一次发生在奈尔温度（T_N）约70 K处，标志着从共线反铁磁态到顺磁态的转变。后一种转变在低场下的常规磁化-温度测量中不可见。根据Arrott图，这种相变被归类为二级相变。相对冷却功率（RCP）与磁场呈幂律关系。这些结果表明，磁热效应是探测和研究复杂磁转变的非常有效的手段。

引言

铁橄榄石（${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{SiO}}_4$）是橄榄石型固溶体中富铁的端元成员，这种硅酸盐相广泛存在于地球的上地幔中，在理解地幔硅酸盐的物理性质方面起着核心作用[1]。尽管铁橄榄石传统上主要从地质学角度进行研究，但由于其复杂的磁行为以及对结构和热力学参数的强敏感性，近年来作为功能材料受到了越来越多的关注[2]。作为正硅酸盐家族的一员，${\left(\mathrm{Mg},\mathrm{Fe}\right)}_2{\mathrm{SiO}}_4$为研究含有强关联磁离子的晶体框架中的磁相互作用提供了重要的模型系统。从磁学角度来看，铁橄榄石具有明显的磁各向异性，这与它的正交晶体结构以及Fe^2+离子的高自旋电子构型密切相关。这种各向异性决定了材料在施加磁场下的磁响应，并促进了明确的磁相变。类似的现象最近也在同结构化合物中观察到，例如$\mathrm{Eu}?\mathrm{SiO}?$，其中观察到了复杂的磁转变伴随着显著的磁热效应[3]。这些发现突显了硅酸盐网络拓扑结构和磁离子化学在驱动集体磁行为中的关键作用，表明铁橄榄石可能表现出与其内在磁相变相关的有趣磁热性质。铁橄榄石的磁性质，特别是在低温下的反铁磁行为及其在不同相变之间的转变，已经得到了详细研究[4]。铁橄榄石中的磁转变现象表现出特别复杂的行为，反映了材料内部磁相互作用的多样性和复杂性。对其深入表征需要先进的实验方法，以精确识别各种磁状态[5],[6]。另一方面，磁热效应是指磁场变化引起温度变化的现象。众所周知，磁场诱导的磁熵变化（-ΔS_m）是量化材料磁热性质的重要参数[7],[8]。具有较大(-ΔS_m)的材料作为磁制冷技术中的活性制冷剂具有很大的潜力[9],[10]。此外，研究磁热效应是探测常规磁化-温度测量中通常无法观察到的复杂磁转变的强大工具[11],[12]。铁橄榄石中观察到的磁相变为通过磁热效应实现温度控制的新方法提供了特殊的可能性[13]。铁橄榄石独特的磁性质可能为该领域带来新的见解，特别是在开发适用于低温应用的材料和优化热力学系统方面[14],[15]。然而，尽管铁橄榄石系统的有趣磁性质已被充分研究，但其磁热效应至今尚未有相关报道。本研究的主要目标是：i) 首次表征铁橄榄石的磁热性质；ii) 利用磁热效应（MCE）作为探测常规磁化方法无法检测到的磁转变的有效手段[16]。

实验细节

实验方法

铁橄榄石是通过使用高纯度的Fe2O3、Fe和SiO2粉末按照所需的化学计量比进行固态反应合成的，然后通过研磨使其均匀。随后在800–1100°C的温度范围内进行多次热处理，处理时间为10天，并通过CO/CO2或Fe/FeO缓冲剂调节氧气分压。这一过程使得铁得以稳定。

结果与讨论

图1显示了在0.01 T磁场下磁化强度随温度的变化。图中清楚地显示了在T_C = 30 K处发生的转变，此时出现了一个明确的峰值。正如参考文献[18],[19]中所论述的，铁橄榄石从倾斜反铁磁态转变为共线反铁磁态。随着温度的升高，没有检测到其他转变，仅观察到磁化强度的逐渐变化。

结论

我们研究了铁橄榄石的磁性质和磁热效应。常规磁化测量显示，在30 K时仅存在从倾斜反铁磁态到共线反铁磁态的转变。通过测量不同温度和磁场下的磁熵（-ΔS_m），我们发现了两个明确的峰值，对应于两次磁转变。

CRediT作者贡献声明

Y. Errouyessi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据分析，数据管理。 M. Lassri：撰写 – 初稿，数据分析，数据管理。 S. El Ouahbi：数据分析，数据管理。 L. Bessais：撰写 – 初稿，数据分析，数据管理。 B. Manoun：数据分析，数据管理。 H. Lassri：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，指导，数据分析。 R. Moubah：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。