2024年9月17日，Phys. Rev. Lett.在线发表了香港城市大学Xun-Li Wang和中科院金属所Bing Li课题组的研究论文，题目为《Antiferromagnetism and Phase Stability of CrMnFeCoNi High-Entropy Alloy》，论文的第一作者为Li Zhu、Haiyan He和Muhammad Naeem。

高熵合金（HEA）是指含有多种主要元素且原子比接近相等的合金，可以形成具有简单晶格的单相晶体。已经提出了几个标准来阐述高熵合金的相选择，如价电子浓度（VEC）、每原子电子比（e/a）、静态位移、原子尺度化学序等。然而，即使对于被称为Cantor合金的原型五元CrMnFeCoNi HEA，决定HEA特定相稳定性的机制也尚未完全理解。室温下的电子显微镜和中子衍射研究表明，CrMnFeCoNi HEA在断裂前保持其面心立方（fcc）结构。

在低层错能的驱动下，通过早期的第一性原理计算预测了低温变形过程中fcc到hcp的相变，该能量与fcc和hcp（六方密堆积）相之间的吉布斯能量差成正比。事实上，之前的低温原位中子衍射实验在另一种等原子fcc CrCoNi合金中观察到了这种相变。相比之下，即使低至15 K，也没有证据表明CrMnFeCoNi HEA发生了马氏体相变。这些实验观察表明了稳定HEA fcc相的其他机制。

在此研究中，作者通过弹性和非弹性中子散射研究了CrMnFeCoNi HEA的磁性行为。实验结果表明，在低于约80 K的Néel温度T_N下存在反铁磁序的确凿证据。超晶格峰的观察以及拉伸载荷导致择优取向的发展得出了一种类似于γ-Mn的CrMnFeCoNi HEA反铁磁结构，磁矩指向<111>方向。基于该模型计算的磁场强度与中子散射结果一致。第一性原理计算表明，反铁磁序显著降低了fcc相的总能量。同时，在CrMnFeCoNi HEA中，发现强自旋涨落（通过非弹性中子散射）持续到室温，温度是T_N的三倍多。强自旋涨落的存在通过增加磁熵进一步稳定了高温下的fcc相。这两个方面共同支撑了CrMnFeCoNi HEA中fcc相相对较高的稳定性。

图1 CrMnFeCoNi HEA的中子衍射和磁化率测量揭示冷却过程中反铁磁序的发展

图2 非弹性中子散射测定CrMnFeCoNi HEA中的自旋动力学

图3 借助拉伸载荷的择优取向确定CrMnFeCoNi HEA的磁矩方向

图4 不同磁序和晶体结构的CrMnFeCoNi和CrCoNi HEA的计算总能量与hcp-PM相的总能量关系