Competing magnetic phases in Cr$_{3+\delta}$Te$_4$ are spatially segregated

中子衍射及对 Cr$_{3+\delta}$Te$_4$ 的互补表征表明，先前报道的竞争性铁磁与反铁磁相共存现象源于两种不同单斜相的细晶粒空间互生，这一发现凸显了应变与局部结构变化在决定 Cr$_{1+x}$Te$_2$ 体系磁学性质中的关键作用。

要点

想象一下，一种名为Cr3+δTe4（铬和碲的混合物）的材料晶体，不要把它看作一块均匀单一的冰块，而更像是一个由两种不同口味的面团紧密烘焙在一起的双层蛋糕，以至于你很难将它们轻易分开。

几十年来，研究这种材料的科学家们一直感到困惑。他们观察到了两种不同的磁性行为迹象：某些部分表现得像磁铁（铁磁性，即所有微小的原子磁矩指向同一方向），而其他部分则表现得像非磁铁（反铁磁性，即原子磁矩指向相反方向并相互抵消）。他们无法确定这两种行为是发生在同一位置、争夺控制权，还是仅仅因为两种不同材料混合在一起所致。

本文通过利用非常强大的“显微镜”（中子衍射）以及其他一些高科技工具观察该晶体，解开了这一谜团。以下是他们发现的简要总结：

1. “两相”发现

研究人员培育了两种不同类型的这种晶体。

• 晶体 A（“分裂人格”）： 这种晶体具有特定的配方（铬含量略有不足）。当他们观察它时，发现它并非单一物质。实际上，它是两种不同相的细粒混合物，它们并排共存，就像由两种不同颜色颗粒组成的非常细的砂岩。
  • 相 1（磁铁）： 当冷却到约321 开尔文（约 110 华氏度）以下时，这部分会变成强磁铁。
  • 相 2（反磁铁）： 当进一步冷却到约86 开尔文（约 -300 华氏度）以下时，这部分会变成“反磁铁”。
• 晶体 B（“纯磁铁”）： 他们制作了第二种晶体，配方略有不同（铬含量更少）。这种晶体是纯净的。它只表现出磁性行为，从未发展出反磁性行为。

类比： 将晶体 A 想象成一碗巧克力曲奇面团，其中的巧克力碎（反磁性相）和面团（磁性相）混合得如此细腻，以至于肉眼无法分辨，但它们确实是不同的。晶体 B 则只是没有巧克力碎的 plain 面团。

2. “应变”之舞

这一发现最引人入胜的部分在于这两个相如何相互作用。

• 当“磁铁”相冷却并启动时，它试图沿特定方向拉伸晶格（原子网格）。
• 当“反磁铁”相冷却并启动时，它试图收缩同一方向。
• 由于它们被束缚在一个微小的细粒混合物中（就像面包和馅料只有 100 纳米厚的三明治），它们在物理上相互拉扯。

类比： 想象两个人背对背站着，手牵着手。一个人试图将手臂大大张开，而另一个人则试图将手臂紧紧蜷缩。由于他们手牵着手，无法自由移动；他们被迫做出妥协，从而在他们之间产生“应变”或张力。

该论文表明，当“反磁铁”相在极低的温度（86 K）下苏醒时，它会在物理上挤压“磁铁”相。这种挤压实际上改变了“磁铁”相的磁性强弱，使其略微减弱。这证明了这两个相是紧密相连的，并通过物理压力（应变）相互影响。

3. 这对材料为何重要

研究人员使用计算机模拟（DFT）来验证他们的理论。计算机结果一致表明：

• “磁铁”相自然希望晶体更宽。
• “反磁铁”相自然希望晶体更窄。

这解释了该材料为何表现出如此行为。“磁铁”相试图膨胀，而“反磁铁”相试图收缩。晶体的最终形状是这两种愿望之间的拔河结果。

4. 大局观

该论文得出结论：在这些晶体中，材料并非随机地在磁性和反磁性之间切换。相反，在生长过程中，它会自发分离成两种不同成分的微小微观层。

• 一层铬含量略高，变得具有反磁性。
• 另一层铬含量较低，变得具有磁性。

它们非常小（小于病毒的宽度），看起来像一种材料，但它们的行动却像两个不断相互推拉的邻居。

总结： 该论文揭示，看似单一且令人困惑的磁性材料，实际上是一个微观社区，其中两种不同类型的磁性“居民”居住在如此紧密的空间里，以至于它们在物理上相互施压，从而改变了彼此的行为。这解释了为何先前的研究看到了相互矛盾的结果，以及为何该材料的磁性强弱在冷却时会以意想不到的方式发生变化。

技术摘要

技术摘要：Cr$_{3+\delta}$Te$_4$ 中竞争磁相的空间分离

问题陈述
Cr$_{1+x}$Te$_2$ 族范德华化合物因其室温铁磁性（FM）和可调拓扑特性而备受关注。然而，Cr$_3$Te$_4$ 相（$x=0.5$）的磁行为在历史上一直是个谜。早期的中子粉末衍射（NPD）和磁化研究表明，在同一化学成分内存在铁磁（FM）和反铁磁（AFM）相的共存，其居里温度（$T_C$）约为 321 K，奈尔温度（$T_N$）约为 80 K。一个主要未解决的问题是：这些磁序是存在于单一均匀晶格内，还是代表了不同的结构/化学相。此外，关于铁磁矩的易轴（报告在 $a$ 轴和 $c$ 轴之间有所不同）存在相互矛盾的结论，且 FM 与 AFM 序之间的关系尚不清楚，特别是鉴于在之前的体材料研究中，AFM 序的发展似乎对 FM 序几乎没有影响。

方法论
作者采用多模态方法来解决这些差异，重点关注具有特定化学计量比（$\delta = -0.10$ 和 $\delta = -0.26$）的 Cr$_{3+\delta}$Te$_4$ 单晶。

• 合成：晶体通过化学气相输运（CVT）生长。
• 单晶中子衍射（SCND）：在 VERITAS 光谱仪上进行，以解析 $(H0L)$ 平面内的磁结构和畴取向。通过分析摇摆曲线来检测不同的畴。
• 中子粉末衍射（NPD）：在不同温度下对研磨后的晶体进行，以精修结构和磁参数并确定相体积分数。
• X 射线粉末衍射（XPD）：用于追踪温度相关的晶格参数和自发磁致伸缩。
• 透射电子显微镜（TEM）：应用于薄晶粒（$\approx$100 nm），以在纳米尺度上可视化结构相。
• 密度泛函理论（DFT）：进行计算以弛豫具有不同空位浓度的 FM 和 AFM 构型的晶格结构，从而合理化观察到的磁致伸缩。

主要结果

1. 相的空间分离：对于 $\delta = -0.10$ 的样品，SCND 摇摆曲线揭示了两个具有不同晶格参数和单斜角的不同单斜畴（相 A 和相 B）。
   • 相 A：在 $T_C \approx 321$ K 以下表现出铁磁（FM）序。
   • 相 B：仅在 $T_N \approx 86$ K 以下表现出反铁磁（AFM）序。
   • 相比之下，$\delta = -0.26$ 的样品仅表现出铁磁序（$T_C \approx 285$ K），没有 AFM 相的证据。
2. 纳米尺度互生：对单个 $\approx$100 nm 晶粒的 TEM 分析显示衍射峰分裂，与两个单斜相一致。结合在 $T_C$ 和 $T_N$ 处观察到符号相反的自发磁致伸缩，得出结论：这两个相形成了细晶互生结构（$\lesssim$100 nm），这可能是高温调幅分解的结果。
3. 磁结构：
   • FM 相：磁矩位于 $a$-$c$ 平面内。精修后的磁矩在伪六方 Cr 位点（$Cr_h$）上为 $5.6(3) \mu_B$，在间隙 Cr 位点（$Cr_i$）上为 $3.7(5) \mu_B$。自旋相对于 $-c$ 轴倾斜，这与之前关于严格沿 $a$ 轴或 $c$ 轴排列的假设不同。
   • AFM 相：磁矩被限制在 $b$ 轴上，大小分别为 $3.8(4) \mu_B$（$Cr_h$）和 $3.6(4) \mu_B$（$Cr_i$）。这与早期报告建议的 $b+c$ 取向相矛盾。
4. 应变耦合：晶格参数 $a$ 在进入 FM 态时表现出负热膨胀，但在 $T_N$ 以下转变为正热膨胀。DFT 计算证实，FM 相倾向于比 AFM 相具有更大的晶格参数 $a$。作者提出，由于 AFM 相（相 B）和 FM 相（相 A）之间存在紧密的纳米尺度互生，AFM 相产生的应变影响了 FM 相，这解释了异常的热膨胀以及 $T_N$ 以下 FM 强度的抑制。
5. 成分依赖性：结果表明，AFM 相对应于更接近化学计量比 Cr$_3$Te$_4$ 的成分（$\delta \approx 0$），而 FM 相对应于 Cr 缺陷成分（$\delta \lesssim -0.1$）。

意义与主张
该论文声称，通过证明 FM 和 AFM 序并非叠加在单一均匀晶格中，而是空间分离为具有略微不同化学成分的 distinct 细晶畴，从而解决了关于 Cr$_3$Te$_4$ 中 FM 和 AFM 序共存的长期模糊性。

作者断言：

• 体材料测量中观察到的“共存”实际上是这些纳米尺度分离相的宏观平均。
• 这些相之间通过自发磁致伸缩的相互作用解释了晶格参数和磁强度的复杂温度依赖性，包括 $T_N$ 以下 FM 信号的下降。
• 磁有序温度和各向异性对应变的敏感性解释了体材料样品与薄膜样品之间的差异，其中外延应变可以改变这些竞争相之间的平衡。
• 该系统中观察到的拓扑效应（如反常霍尔效应）可能源于多层 FM/AFM 互生结构的有效手性，而非单一均匀相内的手性磁性。

该研究得出结论：Cr$_{1+x}$Te$_2$ 系统，特别是在 $x=0.5$ 附近，需要根据潜在的成分分离和应变耦合重新评估磁相，并表明类似的分离机制可能与 Cr$_5$Te$_8$ 等其他成分相关。