近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HM03课题组博士后刘俊、研究员王文洪，先进材料与结构分析实验室副研究员姚湲与澳大利亚卧龙岗大学合作，针对MM'X家族中磁弹性MnCoSi基合金的磁结构展开研究，实验证明该合金材料具有零热膨胀效应。

　　该研究利用原位变温粉末中子衍射手段，解析出MnCoSi合金的螺旋磁结构细节和演变过程：温度降低到磁有序温度（～380 K）以下，MnCoSi中顺磁结构将转变为普通helical螺旋磁结构。合金中有Mn和Co两种磁性原子，其中磁矩主要承载在Mn原子上。而两种磁性原子形成四组磁螺旋结构Mn1-Mn3、Mn2-Mn4、Co1-Co3和Co2-Co4，所有磁矩平躺在ab面内，非公度的传播矢量k沿着c轴。不同于传统对MnCoSi磁结构的认识，当温度降低到220 K左右时，磁结构将再次发生转变，普通helical螺旋结构转变成摆线型cycloidal螺旋磁结构，传播矢量k方向不变，磁矩平躺在bc面内，四组螺旋结构如车轮般沿c轴滚动。通过进一步的晶格精修和相位分析发现，当温度升高时，传播矢量的模逐渐减小，这表明每组螺旋磁结构中相邻原子间磁矩夹角减小，螺旋周期变长。相邻两组Mn螺旋磁结构的夹角随着温度升高也逐渐减小，所以温度将诱发所有Mn原子磁矩平缓地一致转动。少量Ni元素的引入进一步加剧磁矩的转动幅度，使磁矩倾向平行排列，合金趋于形成铁磁态。作为强磁弹相变合金，Mn1-xNixCoSi体系中磁矩的一致转动诱发耦合晶格中的各向异性热膨胀。温度升高时，正交结构的a轴急剧缩短，而b、c轴逐渐拉伸，这带来宽温区内晶胞体积的不变性，即本征零热膨胀效应。该研究明晰了MnCoSi磁结构演化图像，设计了一种全新的单相零热膨胀材料，磁矩一致转动的物理机制对寻找新型反常热膨胀材料具有指导意义。

　　相关成果以Coherent spin rotation-induced zero thermal expansion in MnCoSi-based spiral magnets为题，发表在NPG Asia Materials上。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金面上项目和澳大利亚研究理事会的支持。

(a)：MnCoSi基合金在3 K时cycloidal摆线型磁结构示意图、(b)：bc面内Mn1-Mn3和Mn2-Mn4两组Mn摆线型磁结构示意图、(c)：bc面内Mn1-Mn3和Mn2-Mn4两组Mn普通helical螺旋磁结构示意图（该面内磁矩分量呈正弦调制）、(d)：MnCoSi基合金300 K时helical普通螺旋磁结构的示意图