单晶 GdCrO$_3$ 的增强磁卡效应与磁相图

本文研究了利用激光二极管加热浮区法生长的 GdCrO$_3$ 单晶的晶体结构、磁性和磁卡效应。GdCrO$_3$ 单晶在室温下结晶为空间群为 $Pmnb$ 的正交结构。在冷却过程中，在 0.1 T 磁场下，它在 $T_{\textrm{N-Cr}} =$ 169.28(2) K 处发生磁相变，Cr$^{3+}$ 离子形成倾斜反铁磁（AFM）结构，并伴随弱铁磁性。随后，由于 Gd$^{3+}$-Cr$^{3+}$ 磁耦合，在 $T_{\textrm{SR}} =$ 5.18(2) K 处发生自旋重取向。最后，Gd$^{3+}$ 离子的长程 AFM 序在 $T_{\textrm{N-Gd}} =$ 2.10(2) K 处建立。考虑到 Cr$^{3+}$ 矩阵随温度（不）变的分量，我们获得了一个用于描述 30--140 K 范围内 Gd$^{3+}$ 离子顺磁行为的理想模型。我们在 50 Oe 下观察到磁化反转（正 $\rightarrow$ 负 $\rightarrow$ 正），极小值集中在 162 K 左右。在所研究的 1.8-300 K 温度范围内，Gd$^{3+}$ 和 Cr$^{3+}$ 离子的磁化率之间存在强烈的竞争，导致了令人费解的磁现象。我们构建了 $T_{\textrm{N-Gd}}$、$T_{\textrm{SR}}$ 和 $T_{\textrm{N-Cr}}$ 的磁场依赖相图，揭示了这种引人入胜的磁性本质。此外，我们计算了磁熵变，并在 6 K 和 ${\Delta}{\mu}_0H$ = 14 T 时获得了最大值，即 -${\Delta}S_{\textrm{M}} \approx$ 57.5 J/kg K。在所有 RCrO$_3$（R = $4f^n$ 稀土，$n =$ 7-14）化合物中，单晶 GdCrO$_3$ 化合物表现出最高的磁熵变以及增强的绝热温度，产生了显著的磁卡效应，有望应用于磁制冷。