CeNiSb3中铁磁性与簇玻璃行为的共存

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Coexistence of ferromagnetism and cluster glass behavior in CeNiSb3

　　哈里布拉赫玛·辛格（Haribrahma Singh）| 普拉布达·坎特·米什拉（Prabuddha Kant Mishra）| 高拉夫·库马尔（Gaurav Kumar）| 阿尔蒂·高塔姆（Aarti Gautam）| 里·Y·乌梅ツ（Rie Y. Umetsu）| 拉特纳马拉·查特吉（Ratnamala Chatterjee）| 阿肖克·库马尔·甘古利（Ashok Kumar Ganguli）
印度德里印度理工学院化学系，新德里110016

**摘要**
我们报告了一项关于CeNiSb3的综合研究，涵盖了其结构、直流磁化率和交流磁化率等方面的内容。CeNiSb3属于LaPdSb3型结构，结晶于正交晶系（空间群Pbcm），在居里温度TC=7.2 K以下表现出长程铁磁性（FM）有序，并伴随磁不可逆性。在有序状态下，观察到强烈的磁各向异性，易磁化方向沿着c轴排列。此外，我们的研究还发现，在TC′=6.8 K时沿b轴发生场诱导的自旋重定向转变。对磁熵变化的研究支持了FM转变的存在，并突显了磁相互作用的各向异性特征。非平衡自旋动力学研究显示了明显的记忆效应；热剩磁松弛遵循拉伸指数律，β=0.30，表明具有类玻璃态自旋特性。这一现象也得到了交流磁化率的支持，交流磁化率在特定频率下表现出尖峰，表明存在类玻璃态冻结现象。功率律分析表明，在冻结温度Tf以下，弛豫时间τ为10^-10秒，表明系统处于簇状类玻璃态；而场依赖的交流磁化率则从单一尖峰变为两个峰，证实了CeNiSb3在TC以下同时存在簇状玻璃态和铁磁有序。

**引言**
稀土元素的磁性源于其部分填充的4f电子构型，这些电子的局域性质赋予了显著的磁矩。这些元素表现出明显的单离子磁晶各向异性和相对较低的磁有序温度[1]。相比之下，过渡金属由于电子的流动性而具有较低的磁矩，但相应的磁有序温度较高[1]。此外，第13至15族的重元素可以影响自旋-轨道耦合，进一步丰富系统的磁行为[1]。稀土元素、过渡金属和第13-15族元素的结合引入了多种竞争性相互作用，包括近藤耦合（促进非磁性基态并增加有效电子质量）、鲁德曼-基特尔-卡苏亚-约西达（RKKY）相互作用（有利于长程磁有序）[1] [2]以及晶体电场（CEF）效应（破坏洪德基态多重态的简并性）[1] [3]。这些相互作用导致了多种复杂而迷人的物理现象，如奇异磁态、拓扑相、量子临界性、重费米子行为和超导性[1] [4] [5] [6] [7]。

层状LnTSb3家族（其中Ln代表镧系元素，T代表过渡元素）因过渡金属对磁各向异性和电阻率的影响而特别引人关注。LnTSb3化合物已知结晶于正交晶系（空间群Pbcm），包括以下三种结构类型：（1）CeCrSb3型[8]、（2）CeNiSb3型[9]和（3）LaPdSb3型[10]。这些结构的主要区别在于c晶格参数的比例，分别为1:3:2。结构演变的关键特征在于由T和Sb形成的八面体单元的排列方式。LaCrSb3是该家族中研究较为深入的化合物，其居里温度TC为132 K。最近，夏俊等人[11]通过临界分析证明了LaCrSb3磁相变的第二阶性质。引入其他镧系元素（除La外）会通过f电子态的参与产生奇异磁现象，这激发了人们对各种基于Ce的材料的磁性质的研究[8] [12] [13] [14]。CeNiSb3存在两种同质形式：α-CeNiSb3结晶于CeNiSb3型结构，β-CeNiSb3则采用LaPdSb3型结构[10]。对α-CeNiSb3单晶的研究表明其在6 K以下具有FM有序，并在施加压力时表现出复杂的磁行为[15]；而RNiSb3（R = Sm, Nd, Pr）的单晶研究则显示其在2.9 K、4.5 K和4.6 K分别具有反铁磁性（AFM）有序[16]，表明RNiSb3家族内部存在不同的磁基态。对于β-CeNiSb3，托马斯等人[10]报告其在6 K时具有FM有序。尽管晶体系统具有各向异性，但这些化合物中类玻璃态的详细磁行为和自旋动力学特性尚未得到充分研究。因此，有必要进行全面的调查以全面理解β-CeNiSb3的磁行为及其背后的机制。在本文中，我们详细研究了β-CeNiSb3的各向异性磁性质，包括直流磁化率、等温磁化、磁热效应和交流磁化率。

**实验细节**
β-CeNiSb3单晶采用通量法合成。Ce、Ni和Sb的化学计量比为1:1:3，Sn作为通量（样品与通量的比例为1:1），用研钵研磨后密封在石英管中，并在真空（10^-5巴）条件下处理。将石英管置于马弗炉中加热至1273 K，保持48小时后缓慢冷却至室温（8 K/小时）。通过用HCl溶液洗去通量获得板状晶体。

**晶体结构**
CeNiSb3结晶为两种同质形式：α型（a = 12.6340(7), b = 6.2037(3), c = 18.3698(9) ?）和β型（a = 12.9064(1), b = 6.1258(3), c = 12.0870(1) ?），两者都属于Pbcm空间群。这两种层状结构的亚单元相似，都包含近似方形或矩形的二维Sb网络。两种结构都包含两种不同的Ce位点（Ce1和Ce2）。两种同质体之间的主要区别在于Ce-Sb配位多面体的性质。

**温度依赖性磁化**
在磁场冷却（FC）和零场冷却（ZFC）条件下，进行了温度依赖性磁化测量，以获得磁化率（χ(T)作为温度的函数。测量过程中磁场分别沿晶体学的a轴、b轴和c轴方向施加，以研究磁化率的各向异性。数据采集范围为2至300 K，结果如图2所示。

**结论**
总之，我们成功合成了β-CeNiSb3单晶，并对其磁性质进行了全面研究。磁化率测量显示其在TC=7.2 K时发生铁磁转变，并伴随磁不可逆性。此外，在TC′=6.8 K时沿b轴观察到场诱导的自旋重定向转变。磁化等温线（M(H)曲线）显示出明显的磁各向异性；沿a轴的M(H)曲线表现出...

**作者贡献声明**
哈里布拉赫玛·辛格（Haribrahma Singh）：撰写原始稿件、软件开发、方法论设计、数据管理、概念构建。
普拉布达·坎特·米什拉（Prabuddha Kant Mishra）：撰写与编辑、验证、项目管理、形式分析。
高拉夫·库马尔（Gaurav Kumar）：撰写与编辑、验证、软件开发、数据管理。
阿尔蒂·高塔姆（Aarti Gautam）：撰写与编辑、软件开发、形式分析、数据管理。
里·Y·乌梅ツ（Rie Y. Umetsu）：软件开发、资源获取、资金筹集、数据管理。
拉特纳马拉·查特吉（Ratnamala Chatterjee）：撰写与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者感谢印度理工学院德里分校化学系提供的单晶XRD设施，以及物理系的SQUID设施。同时感谢东北大学IMR的CRDAM项目（提案编号No-202403-CRKKE-0507）的支持。HBS感谢印度科学与工业研究委员会（CSIR）提供的奖学金（文件编号09/0086(12695)/2021-EMR-I）。RC感谢孟买IITB物理系提供的住宿和资金支持。