晶体结构无序性介导的Cr3Al Heusler合金全补偿反铁磁自旋无带半导体行为
材料科学
2026-04-07 v1 强关联电子
摘要
同时拥有全补偿反铁磁性和自旋无带半导体特性的自旋磁性半导体（SGS）是能实现高效能且无 stray field 的自旋电子器件的理想材料，但其在化学无序体系中的实现一直困难重重。本文展示了二进制Heusler合金Cr3Al尽管采用完全A2无序结构，却表现出罕见的SGS输运与全补偿反铁磁（FCF）基底态共存。合成了单晶和多晶Cr3Al样品，利用单晶XRD、同步辐射粉末XRD和中子粉末衍射进行了全面结构分析，揭示了Cr/Al位点完全混合。值得注意的是，这种化学无序并未破坏磁有序性；相反，磁化、X射线磁圆二色性（XMCD）和随温度变化的中子衍射结果表明，系统保持着稳健的补偿反铁磁态，有序磁矩仅为0.1(1) μB/f.u，铁磁临界温度高达773(2) K。电子和热输运测量揭示了清晰的SGS特征，包括弱的温度相关电导率、极低的Seebeck系数以及电子-空穴补偿输运。Hall测量显示出与无序修饰电子态一致的异常温度相关载流子浓度。基于A2无序超立方格子（SQS）结构的第一性原理计算复现了实验中观察到的磁矩微乎其微（0.0072 μB/f.u）并明确表明自旋上带隙消失，进而支持由化学无序驱动的SGS行为。我们的结果表明，Cr3Al是首个实现全补偿反铁磁性和自旋无带半导体输运的经实验证明的A2无序Heusler合金，为下一代高温自旋电子器件提供了稳健且对无序容忍的平台。
引用
@article{arxiv.2512.10885,
title = {Disorder mediated fully compensated ferrimagnetic spin-gapless semiconducting behaviour in Cr3Al Heusler alloy},
author = {Reshna Elsa Philip and Pooja Vyas and Nikhil Joseph Joy and Sandip Kumar Kuila and Sonia Beniwal and Akshata Magar and Dinesh Kumar Shukla and Partha Pratim Jana and Amit Kumar and Aftab Alam and Jayakumar Balakrishnan and Soham Manni},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.10885},
year = {2026}
}
备注
18 Pages including SI