Noncoplanar antiferromagnetism induced zero thermal expansion behavior in the antiperovskite Mn3Sn0.5Zn0.5Cx

抗血小板 反铁磁性 超级交换 凝聚态物理 热膨胀 铁磁性 材料科学 物理 纳米技术 热力学 氮化物 图层(电子)
作者
Zhijie Ma,Ying Sun,Huiqing Lu,Kewen Shi,Sihao Deng,Xiuliang Yuan,Weichang Hao,Yi Du,Yuanhua Xia,Leiming Fang,Jinbo Yang,Wenyun Yang,Claire V. Colin,Huaiming Guo,Xiaobai Ma,Dongfeng Chen,Cong Wang
出处
期刊:Physical review 卷期号:107 (9) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.094412
摘要

Zero thermal expansion (ZTE) is one of the most fascinating phenomena in condensed-matter physics due to its strong correlation essence and great application prospect. However, the origin of ZTE remains elusive and it becomes an overwhelming challenge to realize the controllable design for which magnetic interaction plays a key role. In this work, with the help of neutron powder diffraction analysis, a noncoplanar $[\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2}]$ antiferromagnetic (AFM) phase is experimentally obtained in the antiperovskite system ${\mathrm{Mn}}_{3}{\mathrm{Sn}}_{0.5}{\mathrm{Zn}}_{0.5}{\mathrm{C}}_{x}$. It shows ZTE behavior in a particularly wide temperature range from 10 to 162 K with linear thermal expansion coefficient 9.3 \ifmmode\times\else\texttimes\fi{} ${10}^{\ensuremath{-}7}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{K}}^{\ensuremath{-}1}$. Herein, the theoretical spin model is combined with the experimental results to well understand the strong spin-lattice correlation between AFM ordering and ZTE behavior. The ZTE in the noncoplanar antiferromagnetic ordered system is attributed to the fierce competition between the nearest AFM direct exchange and ferromagnetic superexchange interaction, which is effectively tuned by C occupation. Our work not only paves the way toward understanding the physical origin of ZTE, but it also provides a feasible strategy for the ZTE design, which is also of great significance for promoting the study of a strong correlation system.
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