8月13日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了强磁场物理研究所极端量子输运团队题为《笼目反铁磁体中的磁致伸缩、压磁效应以及磁畴成核》（Magnetostriction, piezomagnetism and domain nucleation in akagomeantiferromagnet）的研究论文。我校为论文第一完成单位，强磁场物理研究所博士生孟庆凯为论文第一作者，李小康副研究员、朱增伟教授和巴黎高等物理化工学院Kamran Behnia教授为论文共同通讯作者，美国加州大学圣芭芭分校LeonBalents教授以及我校物理学院张佳教授、董建艇博士（论文第二作者）为本工作提供理论支持。
当磁性材料在磁场中被磁化时，其形状和尺寸通常也会发生变化，这种现象称之为磁致伸缩（magnetostriction）效应。在铁磁体中，磁致伸缩响应主要取决于自发磁畴的位移和旋转，随着磁场增加，当自发磁畴排列整齐（自发磁化饱和）时，磁致伸缩效应也达到饱和，如图1(a)所示。对于反铁磁材料，其磁致伸缩响应通常非常微弱且随磁场呈二次方依赖关系。但对于某些特殊磁点群（共35种）的共线反铁磁，可出现比较罕见的线性磁致伸缩效应（随磁场呈线性依赖关系）。由麦克斯韦关系式（自由能的二阶偏导）分析可知，线性磁致伸缩效应与压磁效应互为逆效应（∂M/∂σ=∂ε/∂B =∂2F/∂B∂σ）。
图1 (a)钴单晶的磁致伸缩效应；(b)纵向及横向磁致伸缩测量装置示意图。
Mn3X（X=Sn, Ge）是一类具有kagome晶格结构的室温拓扑非共线反铁磁体，具有显著的室温反常霍尔效应、反常能斯特效应和反常热霍尔效应等，是目前反铁磁自旋电子学的热门研究对象，其磁点群为mm'm'（不属于上面所述的35种磁点群）。极端量子输运团队前期对Mn3X反铁磁体进行多年研究，发现其诸多有趣的反常输运性质（如拓扑霍尔效应、线性反常霍尔效应等）均与其奇特的反手性三角自旋晶格有关。此次研究中，为了进一步研究其磁致伸缩效应及其自旋晶格如何关联，更好地理解其自旋晶格随磁场的响应行为，团队详细研究了Mn3Sn在不同温区下的纵向磁致伸缩εii及横向磁致伸缩εij效应（如图1b所示）。研究发现：1）即使在室温和高达9T的磁场下，Mn3Sn的磁致伸缩效应随磁场仍呈现为完美的线性响应，且沿着kagome面内和面外具有显著的各向异性（图2a）。2）结合理论分析表明，上述观测到的线性磁致伸缩效应起源于磁场诱导的三角自旋晶格扭曲，即磁场诱导三角自旋晶格发生随磁场呈线性响应的扭曲，由于自旋-晶格的耦合作用，继而诱导晶格发生线性响应的畸变（图2b）。3）Mn3Sn中的线性磁致伸缩响应在磁畴反转的阈值磁场处会发生一个不连续的跃变现象，这可能是一个二阶相变的特征（图2c）；跃变后磁致伸缩的幅值变为0，表明这可能是由于晶格内部的局域应力和局域自旋朝向相互调制（图2d），产生磁扭曲条纹（twisto-magnetic stripes）所致。4）Mn3Sn的自发磁化强度、线性磁致伸缩系数、Sn空位的浓度三者间存在明显的依赖关系（图2e、f），这为后续的调控研究奠定了基础。
图2(a) Mn3Sn的线性磁致伸缩效应；(b)磁场诱导晶格发生扭曲；(c)磁致伸缩的不连续跃变现象；(d)磁扭曲条纹；(e)自发磁化强度与Sn空位浓度的依赖关系；（f）线性磁致伸缩系数与自发磁化强度的依赖关系。
该研究工作依托脉冲强磁场设施的电输运测量系统完成，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51268-y
