1.简介
完美晶体是一个具有完全长程原子序的三维物体。含有磁性原子的晶体产生宏观磁性,磁性材料确实对现代社会的功能至关重要,广泛用于信息存储、发电和电机中。大多数这些材料都具有长程磁性和原子有序性,并且它们的磁性结构已经被很好地理解。然而,先进的技术将需要更复杂甚至奇异的磁现象,其中原子有序材料不具有长程磁有序。这些无序或受挫的磁性材料包括自旋玻璃(Lee等。1996年, 2002; 帕迪森等。, 2016)、自旋液体(班纳吉等。, 2016, 2017)、旋转冰(芬内尔等。, 2009; 莫里斯等。, 2009)超导体(Glasbrenner等。, 2015; 特拉夸达等。1996年)和多铁性(张等。, 2017; 加里宁,2017年; 周等。, 2007). 这种材料的磁性结构中只包含局部短程关联;这使得无法应用中子衍射等常规实验方法,而中子衍射是研究长程磁性的常用方法。因此,由于缺乏对局部磁结构的充分表征,阻碍了理解和设计无序自旋系统的进展。
磁无序引起了迷人的现象,但实际上许多晶体甚至不包含三维原子序。原子无序本身会导致一系列令人兴奋的特性,例如,原子无序会强烈破坏晶体中的热传导。这已用于许多应用,包括设计高性能热电元件(Tan等。, 2016).
原子无序的研究代表了结构科学的一个前沿,以及最近引入的三维差分对分布函数-Δ从单晶上的X射线散射获得的PDF已取得巨大进步(Weber&Simonov,2012)). 3D-ΔPDF方法通过消除平均有序结构的贡献,仅给出无序的三维视图,而平均有序结构可以通过传统的晶体学方法确定。与常用的一维PDF技术不同(Billinge&Egami,2003)、3D-ΔPDF方法分离等距但不同空间方向的相互作用;它还使观察具有叠加平均阶数的系统中的弱无序成为可能。3D-Δ因此,PDF提供了其他实验技术无法获得的信息。
与从漫X射线散射分析结构无序类似,漫磁中子散射可用于深入了解磁无序材料中的自旋-自旋关联。传统上,这种方法主要依赖于检测波矢和散射的温度依赖性。这种方法仅提供了对无序的有限理解,如互易空间分析使得对真实空间物理模型结果的解释具有挑战性。最近,人们开发了更先进的方法,通过对粉末和单晶数据的反向蒙特卡罗模拟来对散射模式进行建模(Paddison等。, 2013, 2016). 在这些方法中,建立了一个模型晶体,并对其结构进行了细化,以获得计算的散射图案与实验数据之间的良好匹配。另一种最近的方法是应用磁对分布函数(mPDF)分析粉末中子散射(Frandsen等。, 2014; Frandsen&Billinge,2015年). 这种分析给出了成对磁相互作用(有序和无序)的一维表示。然而,这种一维技术至少有两个缺点。一种是具有平均磁序但存在局部偏差的系统。对于这样的系统,平均阶数将主导mPDF,并且无序将难以观察到。另一种情况是不同成对相互作用具有相似距离的系统,导致一维数据中的峰值重叠。在这种情况下,独特地建立磁性结构将是一项艰巨的任务。这里,我们推导了三维磁差对分布函数(3D-mΔPDF格式)。该函数提供了真实空间中磁无序的模型相关三维重建。因为它不依赖于先验的关于原子结构的信息,它可以研究原子和磁无序材料中的磁性,事实上,这两者的结合可能会导致发现非同寻常的新物理现象。
2.三维磁差对分布函数
3D-Δ用于X射线散射的PDF定义为散射扩散强度的逆傅里叶变换,它等于总电子密度和平均周期电子密度之间的差值的自相关,(韦伯和西蒙诺夫,2012年):
其中〈〉是实验时间平均值是互相关算子。因此,X射线散射3D-ΔPDF仅包含有关原子无序的信息,这使得它成为建立无序材料局部结构的有力工具。差密度的自相关对于分离出比平均周期结构中更多电子密度的向量具有正峰值,对于分离出低于平均周期结构的电子密度的矢量具有负峰值。
类似于X射线散射3D-ΔPDF,我们定义了3D-mΔPDF作为非极化磁扩散中子散射截面的傅里叶逆变换
由于磁中子散射的相互作用势是一个矢量场,而不是X射线散射的标量场,因此它不再仅仅是标量密度的自相关。我们通过将磁化密度划分为平均周期贡献和偏离平均周期贡献的偏差来开始推导
注意,在没有周期磁化密度的情况下,.我们希望表达3D-mΔ根据这种差异磁化密度的PDF。在支持信息中,我们表明,从标准方程开始(Lovesey,1984)、3D-mΔPDF可以写为:
其中,我们将向量场互相关算子定义为元素方向互相关和点积的组合:
哪里(f)我和克我是的向量分量(f)和克类似地,我们定义了向量场卷积算子从标量场卷积,*。修改第二项磁化密度的涂抹函数由下式给出:
方程(4)中的第一项)是不同磁化密度的向量自相关。当向量第页与平均周期结构相比,在同一方向上分离出更多的磁化密度。同样,与平均周期结构相比,指向同一方向的磁化密度较小的矢量会出现负峰值。如果磁化方向与平均值相同,但局部矢量隔开的密度较小,或者通过第页与平均结构相反。当没有周期性磁结构时,会发生一个重要的简化(例如在受挫磁铁中)。在这种情况下,第一项中的正峰值意味着第页趋向于沿同一方向,负峰值意味着矢量所分隔的磁化密度是相反的。
方程(4)中的第二项)就不那么简单了。这个术语来源于这样一个事实,即散射实验只看到垂直于散射矢量的磁化密度。Frandsen发现了一个对应的术语等。对于一维磁性PDF(Frandsen等。, 2014). 在这项中,磁化密度与弥散函数是矢量卷积的在进行自相关之前。为了更好地理解第二个术语3D-m的效果Δ对一些简单系统的PDF进行了评估。
5.讨论
3D-mΔ与Frandsen推出的1D-mPDF相比,PDF有两大优势等。(弗兰德森等。, 2014). 一种是具有平均长程磁阶和局部偏差的系统。在这种情况下,3D-mΔPDF将直接显示与平均结构的偏差,然后通过对布拉格反射的单独分析可以找到平均磁结构。在这样的系统中,1D-mPDF叠加了结构的有序和无序部分,使得很难解释无序,而无序通常与平均结构略有偏差。第二个优点来自这样一个事实,即磁散射在互易空间作为负责磁矩是漫反射的。这会影响傅里叶变换期间PDF函数中峰值的宽度。对于1D-mPDF,峰宽很容易导致相邻峰的重叠,再次使解释变得不那么简单。当多个相互作用具有相同的距离但不同的空间方向时,也可以获得峰值重叠。在这种情况下,3D-mΔPDF保留了方向信息,使分离距离相近或相等但方向不同的峰值成为可能。然而,通过使用样品中磁散射体的平均磁散射因子对数据进行归一化,可以减少1D-PDF中的峰宽问题。除此之外,精炼已经建立了1D-mPDF的方法,使得通过建模重新获得三维信息成为可能(Frandsen&Billinge,2015). 由于1D-mPDF来自粉末的测量,因此它可以用于研究广泛的样品,而3D-mΔPDF需要大的高质量单晶。
在铋矿系统中,我们能够通过减去相同结构的高温数据集,将磁漫散射与核漫散射以及样品环境的散射分离开来。如果存在结构转换在顺磁和受挫磁状态之间,这种方法不能使用。在结构发生变化但低温结构有序的情况下(无核扩散散射),可以通过从空样品环境中减去散射,并对布拉格峰使用穿孔填充法来隔离磁扩散散射。如果存在结构转换对于无序结构,磁扩散散射可以通过极化中子散射潜在地隔离。这里,我们使用CORELLI仪器的弹性分辨来从数据中去除声子散射,因为在300和7时,这种贡献是不同的 K.仅使用弹性散射在3D-m上ΔPDF表示只看到静态磁关联;这意味着磁振子之类的磁激发是看不到的。对于铋铁矿,这不是一个问题,因为磁性扩散散射是弹性的(参见支持信息),但在需要动态磁性关联的情况下,应使用能量积分信号来产生3D-mΔPDF格式。这将在支持信息中进一步讨论。
总之,我们推导了3D-m的表达式ΔPDF,它直接揭示了无序磁性系统的磁性关联。由于它是一个直接的空间函数,因此很容易获得直观的解释,从而更好地理解磁无序,即使对于复杂系统也是如此。与以前对无序磁系统的研究不同,这种新方法是完全独立于模型的。作为3D-mΔPDF只是磁扩散散射的傅里叶变换,它提供了一个直接空间查看散射数据中包含的有关磁无序的所有信息。与之前用于解释磁扩散中子散射的逆蒙特卡罗模型相比,3D-mΔPDF不会受到虚假极小值的挑战,尽管这可以通过随机起始条件的重复模拟来缓解。更重要的是,3D-mΔPDF方法不需要特定的结构模型,这也使得研究原子无序系统(如bixbyite)中的磁性成为可能。铋铁矿的端元,Mn2O(运行)三和β-铁2O(运行)三已知其经历了向有序磁相的相变(Cockayne等。, 2013; 马林纳等。, 2015). 这表明,原子无序的存在允许对这个复杂的磁性系统进行调谐,以产生上述磁性挫折。
致谢
作者感谢本特·斯特德(BentØrsted)和卡斯珀·托尔博格(Kasper Tolborg)富有成果的讨论。这项研究的一部分使用了散裂中子源的资源,这是一个由橡树岭国家实验室运营的DOE科学用户设施办公室。物理性能表征(AFM)得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学、材料科学和工程部的支持。
资金筹措信息
这项工作得到了丹麦国家研究基金会(DNRF93)的支持。
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