通过 Holmium 镓石榴石中的 Mn$^{3+}$ 取代缓解阻挫

我们利用体磁测量和低温粉末中子衍射，研究了 Mn$^{3+}$ 取代对几何阻挫 Ising 石榴石 Ho$_3$Ga$_5$O$_{12}$ 的影响。我们发现，与 Ho$_3$Ga$_5$O$_{12}$ 相比，Ho$_3$MnGa$_4$O$_{12}$ 的相变温度 $T_N$ = 5.8 K 提高了近 20 倍。对 Ho$_3$Mn$_x$Ga$_{5-x}$O$_{12}$（$x$ = 0.5, 1）在 $T_N$ 以下的粉末中子衍射显示，形成了波矢 $\mathbf{k}$ = (0,0,0) 的长程有序态。Ho$^{3+}$ 自旋沿六个晶体学轴反铁磁排列，无净矩，而 Mn$^{3+}$ 自旋沿体对角线取向，从而在 [111] 方向产生净矩。该磁结构可可视化为由共角 Ho$^{3+}$ 自旋三角形组成的十元环，其中 Mn$^{3+}$ 自旋与三角形中的每个 Ho$^{3+}$ 自旋铁磁耦合。Mn$^{3+}$ 的取代完全缓解了磁阻挫，对于 Ho$_3$MnGa$_4$O$_{12}$，其阻挫因子 $f = \theta_{CW}/T_N \approx 1.1$。