利用高分辨同步辐射X射线与中子粉末衍射探测 ZnCr$_2$Se$_4$ 与 ZnCr$_2$S$_4$ 中的自旋驱动相变

利用高分辨粉末同步辐射和中子衍射，对尖晶石化合物 ZnCr$_2$S$_4$ 和 ZnCr$_2$Se$_4$ 的晶体结构和磁结构进行了研究。ZnCr$_2$Se$_4$ 在 $T_N=21$ K 时发生一阶相变，转变为非公度螺旋磁结构。$T_N$ 以上的磁涨落与晶格耦合，表现为负热膨胀。复杂的磁结构和异常的结构行为均可归因于磁挫败。施加外磁场会使有序温度和负热膨胀区间向低温方向移动。由此，自旋有序转变为锥形结构。ZnCr$_2$S$_4$ 在 $T_{N1}=15$ K 和 $T_{N2}=8$ K 处表现出两个磁转变，并伴随结构相变。晶体结构从高温顺磁态的立方尖晶石型（空间群 $Fd$\={3}$m$），经过 $T_{N2} < T < T_{N1}$ 区间的四方畸变中间相（空间群 $I4_1$ / $amd$），转变为 $T < T_{N2}$ 的低温正交相（空间群 $I m m a$）。由交换伸缩引起的硫离子协同位移是这些结构相变的起源。ZnCr$_2$S$_4$ 的低温结构与磁铁矿在 Verwey 相变温度以下的正交结构相同。当施加 5 T 的磁场时，系统在中间磁相中表现出如 ZnCr$_2$Se$_4$ 中观察到的诱导负热膨胀。