Pressure-modulated magnetism and negative thermal expansion in the HoFe intermetallic compound

HoFe金属間化合物における圧力変調型磁性と負の熱膨張

Cao, Y.*; Zhou, H.*; Khmelevskyi, S.*; Lin, K.*; Avdeev, M.*; Wang, C.-W.*; Wang, B.*; Hu, F.*; 加藤 健一*; 服部 高典   ; 阿部 淳*; 尾原 幸治*; 河口 沙織*; Li, Q.*; 福田 真幸*; 西久保 匠*; Lee, K.*; 小池 剛大*; Liu, Q.*; Miao, J.*; Deng, J.*; Shen, B.*; 東 正樹*; Xing, X.*

Cao, Y.*; Zhou, H.*; Khmelevskyi, S.*; Lin, K.*; Avdeev, M.*; Wang, C.-W.*; Wang, B.*; Hu, F.*; Kato, Kenichi*; Hattori, Takanori; Abe, Jun*; Ohara, Koji*; Kawaguchi, Saori*; Li, Q.*; Fukuda, Masayuki*; Nishikubo, Takumi*; Lee, K.*; Koike, Takehiro*; Liu, Q.*; Miao, J.*; Deng, J.*; Shen, B.*; Azuma, Masaki*; Xing, X.*

静水圧や化学圧力は、結晶構造を変化させる効率的な刺激であり、材料科学において電気的、磁気的特性のチューニングによく利用されている。しかし、化学圧力は定量化が困難であり、これら両者の定量的な対応関係はまだよくわかっていない。本研究では、負の熱膨張(NTE)を持つ永久磁石の候補である金属間化合物を調べた。放射光X線その場観察により、AlをドープしたHoFeに負の化学圧力があることを明らかにし、単位セル体積の温度・圧力依存性を用いそれを定量的に評価した。また、磁化測定と中性子回折測定を組み合わせることで、磁気秩序に対する化学圧力と静水圧の違いを比較した。興味深いことに、圧力はNTEの抑制と増強を制御するために使用することができた。電子状態計算から、圧力がFermiレベル(EF)に対する主要バンドの上部に影響を与えたことを示しており、これは磁気安定性に影響を与え、それが磁気とNTEを調節する上で重要な役割を果たしていることがわかった。本研究は、圧力の影響を理解し、それを利用して機能性材料の特性を制御する良い例を示している。

Hydrostatic and chemical pressure are efficient stimuli to alter the crystal structure and are commonly used for tuning electronic and magnetic properties in materials science. However, chemical pressure is difficult to quantify and a clear correspondence between these two types of pressure is still lacking. Here, we study intermetallic candidates for a permanent magnet with a negative thermal expansion (NTE). Based on in situ synchrotron X-ray diffraction, negative chemical pressure is revealed in HoFe on Al doping and quantitatively evaluated by using temperature and pressure dependence of unit cell volume. A combination of magnetization and neutron diffraction measurements also allowed one to compare the effect of chemical pressure on magnetic ordering with that of hydrostatic pressure. Intriguingly, pressure can be used to control suppression and enhancement of NTE. Electronic structure calculations indicate that pressure affected the top of the majority band with respect to the Fermi level, which has implications for the magnetic stability, which in turn plays a critical role in modulating magnetism and NTE. This work presents a good example of understanding the effect of pressure and utilizing it to control properties of functional materials.