三层钌酸盐 Sr$_4$Ru$_3$O$_{10}$ 中温度与磁场驱动的自旋重取向

Sr$_4$Ru$_3$O$_{10}$ 是 Ruddlesden-Popper 型钌酸盐 Sr$_{n+1}$Ru$_n$O$_{3n+1}$ 的 $n$ = 3 成员，已知其在面内磁场中表现出奇特的变磁转变。然而，温度依赖与磁场依赖相变的本质仍是争议话题。在此，我们通过单晶中子衍射测量研究了 Sr$_4$Ru$_3$O$_{10}$ 的磁转变。在零场下，我们发现体系在 $T_{c}$ ~ 100 K 发生具有面内与面外磁分量的铁磁转变。在 $T^{*}$ ~ 50 K 以下，磁矩持续向面外方向倾斜。在 $T$ ~ 1.5 K（此时自旋近乎沿 $c$ 轴排列），高于临界场 $B_c$ 时发生自旋重取向，产生垂直于由磁场方向与 $c$ 轴所定义平面的自旋分量。我们认为温度驱动与磁场驱动的自旋重取向均与磁晶各向异性的改变有关，而后者与晶格自由度强耦合。本研究阐明了 Sr$_4$Ru$_3$O$_{10}$ 零场磁序的长期谜团，并为场致变磁转变的本质提供了新见解。