中国科学院物理研究所李永庆研究员课题组林朝镜博士，在稳态强磁场实验装置变温X射线衍射仪（XRD）设备的支持下，对HgCr₂Se₄中的自旋耦合和巨磁电阻效应进行了深入的研究，并取得了新进展。该研究成果以Spin correlations and colossal magnetoresistance in HgCr₂Se₄为题发表在期刊《物理评论B》上 (Physical Review B 94, 224404 (2016); doi: 10.1103/PhysRevB.94.224404)。

　　在凝聚态物理中，巨磁电阻（CMR）效应一直是磁输运现象研究方面的热点问题。最近50年，科研人员在很多材料中发现了CMR现象，如钙钛矿、铕基硫族化合物、一氧化物、铬基尖晶石、烧绿石、辉钴矿等。同时，研究人员提出很多概念和模型来解释CMR效应的物理机制，如磁极化子、磁相分离等。但是，由于材料的多样性和复杂的多体相互作用，并且牵涉到自旋、晶格、电荷、轨道等自由度之间的耦合，导致CMR效应的物理机制一直得不到一个很好的解释。具有尖晶石结构的n型HgCr₂Se₄是研究CMR效应的理想体系。HgCr₂Se₄中的铁磁态是通过Cr³⁺离子之间超交换作用建立的，3d3的电子构型使得该体系中不存在Jahn-Teller畸变。当顺磁-铁磁（PM-FM）相变发生时，伴随有绝缘-金属转变，从而导致5个量级的磁阻变化。更重要的是，当Cr³⁺离子间的自旋耦合增强时，CMR效应变大。因此可以断定，自旋耦合对这一体系的输运行为以及CMR效应起重要作用。

　　在本工作中，林朝镜博士在稳态强磁场实验装置变温X射线衍射仪设备的支持下，对n型HgCr₂Se₄中的自旋耦合和巨磁阻效应进行了研究。这项研究工作揭示了n型HgCr₂Se₄中低浓度的传导电子和三维海森堡铁磁之间的交换耦合。在室温，HgCr₂Se₄中的电子输运行为表现为普通的半导体行为。当温度降低到T*≈2.1Tc时，磁化率偏离了居里外斯定律，同时输运行为进入一个过渡温区（Tc < T < T*），在进入金属态之前表现出CMR效应。

　　实验结果表明，自旋耦合的决定性不仅发生在临界点附近，而且发生在Tc<T<T*的温区范围内。在过渡温区内，当温度降低或外磁场增大时，输运行为表现出从孤立的磁极化子逐渐扩大到连续空间网络的渗流型相变行为。变温XRD的结果显示，HgCr2Se4的晶格参数随温度的变化基本符合Debye-Gruneisen理论，但是在温度接近Tc时发生偏离。这一结果表明n-HgCr₂Se₄中的磁极化子和钙钛矿中的小极化子有本质不同。在钙钛矿中，Jahn-Teller畸变导致了稳定的、空间受限的非传导性极化子，电子传导和这些小极化子相关，并且可以稳定存到很高的温度（1000K）。而在n-HgCr₂Se₄中不存在Jahn-Teller畸变，因此小极化子机制应该和体系中的CMR效应无关。

　　文章链接：http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.224404。

　　强磁场科学中心的变温X射线衍射仪，可进行低温、高温下晶体结构的X射线衍射谱测量，其低温范围为15K-300K，高温范围为300K-1700K，测角仪角度范围为0.1°到140°，角度分辨率为1/10000°。

　　图（a）n-HgCr₂Se₄样品的变温X射线衍射谱；（b）n-HgCr₂Se₄的晶格常数随温度的变化。