具有锯齿晶格的 Fe$_2$SiSe$_4$ 中的多重磁转变与复杂磁结构

锯齿晶格与笼目晶格具有一些结构相似性，可能引起新的研究兴趣。在此，我们报道了对 Fe$_2$SiSe$_4$ 物理性质的全面研究，它是具有 Fe 锯齿晶格的橄榄石硫族化物中一个未被探索的成员。我们的结果表明，Fe$_2$SiSe$_4$ 是一种带隙为 0.66~eV 的磁性半导体。它首先在 T$_{m1}$=110~K 经历反铁磁转变，随后在 T$_{m2}$=50~K 经历一种类亚铁磁转变，最后在 T$_{m3}$=25~K 经历一个磁转变，后者很可能由 Fe 位上自旋-轨道多重态的热布居驱动。中子衍射分析揭示了在 T$_{m2}$<T<T$_{m1}$ 时具有传播矢量 $\mathbf{q_1}$=(0,0,0) 的非共线反铁磁结构。有趣的是，在 T$_{m2}$ 以下，出现了一个具有 $\mathbf{q_2}$=(0,0.5,0) 的附加反铁磁结构，Fe$_2$SiSe$_4$ 表现出一种从未在锯齿橄榄石中观测到的复杂双-$\mathbf{q}$ 磁结构。密度泛函理论计算表明，这一复杂非共线磁结构可能源于锯齿晶格中链内与链间竞争的反铁磁相互作用。此外，能带结构计算显示 Fe$_2$SiSe$_4$ 在价带和导带附近具有准平带特征。基于上述结果，我们提出 Fe$_2$SiSe$_4$ 作为凝聚态研究的一个新材料平台。