Large magnetization jumps (MJs) can realize an avalanched flip of the spin structure from a low spin state (antiferromagnetic) to a high spin state (ferromagnetic) and has potential applications in spin devices. Here, we report giant MJs in dual-antiferromagnetic hematite-ilmenite (Fe2O3)0.1(FeTiO3)0.9 (HI-9) solid solution. The obtained intensity of MJs (the ratio of an abrupt change in magnetization to saturation magnetization) increases to 53.3%, which is about twice as much as previously reported values in HI-9. These unusually large MJs are achieved by intentionally introducing multiscale distortions with high-stress compression deformation. Both experiments and Monte Carlo simulations demonstrate that the increase in MJs' intensity originates from the tunable atomic-scale and nano-scale distortions induced by crystal strain energy during the deformation process. Our findings provide an approach to modulate metamagnetic transitions and may inspire fresh ideas for creating high-performance antiferromagnetic materials.

1.
E.
Stryjewski
and
N.
Giordano
,
Adv. Phys.
26
,
487
(
1977
).
2.
P.
Steffens
,
Y.
Sidis
,
P.
Link
,
K.
Schmalzl
,
S.
Nakatsuji
,
Y.
Maeno
, and
M.
Braden
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
217402
(
2007
).
3.
L.
Diop
and
O.
Isnard
,
Phys. Rev. B
97
,
014436
(
2018
).
4.
M.
Charilaou
,
K. K.
Sahu
,
S.
Zhao
,
J. F.
Löffler
, and
A. U.
Gehring
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
057202
(
2011
).
5.
R.
Daou
,
C.
Bergemann
, and
S. R.
Julian
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
026401
(
2006
).
6.
R.
Mahendiran
,
A.
Maignan
,
S.
Hébert
,
C.
Martin
,
M.
Hervieu
,
B.
Raveau
,
J. F.
Mitchell
, and
P.
Schiffer
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
286602
(
2002
).
7.
P.
Song
,
G. K.
Li
,
L.
Ma
,
C. M.
Zhen
,
D. L.
Hou
,
W. H.
Wang
,
E. K.
Liu
,
J. L.
Chen
, and
G. H.
Wu
,
J. Appl. Phys.
115
,
213907
(
2014
).
8.
B.
Maji
,
K. G.
Suresh
, and
A. K.
Nigam
,
Europhys. Lett.
91
,
37007
(
2010
).
9.
L. H.
Yin
,
J.
Yang
,
X. C.
Kan
,
W. H.
Song
,
J. M.
Dai
, and
Y. P.
Sun
,
J. Appl. Phys.
117
,
133901
(
2015
).
11.
T.
Wu
and
J. F.
Mitchell
,
Phys. Rev. B
69
,
100405(R)
(
2004
).
12.
L. M.
Fisher
,
A. V.
Kalinov
,
I. F.
Voloshin
,
N. A.
Babushkina
,
D. I.
Khomskii
,
Y.
Zhang
, and
T. T. M.
Palstra
,
Phys. Rev. B
70
,
212411
(
2004
).
13.
A. B.
Antunes
,
M. N.
Baibich
,
V.
Gil
,
C.
Moure
,
V. A.
Maret
, and
O.
Peña
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
e464
(
2008
).
14.
A. B.
Antunes
,
C.
Moure
,
A.
Moure
, and
O.
Peña
,
J. Low Temp. Phys.
159
,
114
(
2010
).
15.
G.
Wang
,
W.
Zhao
,
Y.
Cao
,
B.
Kang
,
J.
Zhang
,
W.
Ren
, and
S.
Cao
,
J. Alloys Compd.
674
,
300
(
2016
).
16.
J. R.
Iglesias
,
J. I.
Espeso
,
N.
Marcano
, and
J. C.
Gómez Sal
,
Phys. Rev. B
79
,
195128
(
2009
).
17.
D. S.
Neznakhin
,
A. S.
Bolyachkin
,
A. S.
Volegov
,
P. E.
Markin
,
S. V.
Andreev
, and
N. V.
Kudrevatykh
,
J. Magn. Magn. Mater.
377
,
477
(
2015
).
18.
L. V. B.
Diop
and
O.
Isnard
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
132401
(
2016
).
19.
A. V.
Kalinov
,
L. M.
Fisher
,
I. F.
Voloshin
,
N. A.
Babushkina
,
D. I.
Khomskii
, and
T. T. M.
Palstra
,
J. Magn. Magn. Mater.
300
,
e399
(
2006
).
20.
M.
Charilaou
,
K. K.
Sahu
,
A. U.
Gehring
, and
J. F.
Löffler
,
Phys. Rev. B
84
,
224434
(
2011
).
21.
P.
Song
,
L.
Ma
,
G. K.
Li
,
C. M.
Zhen
,
C.
Wang
,
E. K.
Liu
,
W. H.
Wang
,
J. L.
Chen
,
G. H.
Wu
,
Y. H.
Xia
,
J.
Zhang
,
C. M.
Xie
,
H.
Li
, and
D. L.
Hou
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
054018
(
2019
).
22.
X.
Li
,
L.
Lou
,
W.
Song
,
G.
Huang
,
F.
Hou
,
Q.
Zhang
,
H. T.
Zhang
,
J.
Xiao
,
B.
Wen
, and
X.
Zhang
,
Adv. Mater.
29
,
1606430
(
2017
).
23.
L.
Lou
,
Y.
Li
,
X.
Li
,
H.
Li
,
W.
Li
,
Y.
Hua
,
W.
Xia
,
Z.
Zhao
,
H.
Zhang
,
M.
Yue
, and
X.
Zhang
,
Adv. Mater.
33
,
2102800
(
2021
).
24.
H.
Li
,
X.
Li
,
D.
Guo
,
L.
Lou
,
W.
Li
, and
X.
Zhang
,
Nano Lett.
16
,
5631
5638
(
2016
).
25.
Y. S.
Sung
,
J. M.
Kim
,
J. H.
Cho
,
T. K.
Song
,
M. H.
Kim
, and
T. G.
Park
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
202901
(
2010
).
26.
Y. H.
Zhao
,
K.
Zhang
, and
K.
Lu
,
Phys. Rev. B
56
,
14322
(
1997
).
28.
H. S.
Nabi
,
R. J.
Harrison
, and
R.
Pentcheva
,
Phys. Rev. B
81
,
214432
(
2010
).
29.
Y. S.
Hou
,
H. J.
Xiang
, and
X. G.
Gong
,
Sci. Rep.
5
,
13159
(
2015
).
30.
T.
Seda
and
G. R.
Hearne
,
J. Phys.
16
,
2707
(
2004
).
31.
P.
Robinson
,
R. J.
Harrison
,
S. A.
McEnroe
, and
R. B.
Hargraves
,
Nature
418
,
517
(
2002
).
32.
M.
Yue
,
X.
Zhang
, and
J. P.
Liu
,
Nanoscale
9
,
3674
(
2017
).
33.
M.
Sobkowicz
and
B.
Chakraborty
,
J. Stat. Phys.
83
,
739
(
1996
).
34.
C. J.
Chung
,
D. P.
Field
,
N. J.
Park
, and
R. G.
Johnson
,
Thin Solid Films
517
,
1977
(
2009
).
35.
D. R.
McKenzie
,
Y.
Yin
,
W. D.
McFall
, and
N. H.
Hoang
,
J. Phys.
8
,
5883
(
1996
).
36.
Y.
Chen
,
K.
Ji
,
Z. Y.
Xie
, and
J. F.
Yu
,
Phys. Rev. B
101
,
165123
(
2020
).
37.
G.
Huang
,
X.
Li
,
L.
Lou
,
Y.
Hua
,
G.
Zhu
,
M.
Li
,
H. T.
Zhang
,
J.
Xiao
,
B.
Wen
,
M.
Yue
, and
X.
Zhang
,
Small
14
,
1800619
(
2018
).
38.
X.
Li
,
L.
Lou
,
W.
Song
,
Q.
Zhang
,
G.
Huang
,
Y.
Hua
,
H. T.
Zhang
,
J.
Xiao
,
B.
Wen
, and
X.
Zhang
,
Nano Lett.
17
,
2985
(
2017
).
39.
Y.
Liu
,
L.
Xu
,
Q.
Wang
,
W.
Li
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
172502
(
2009
).
40.
W.
Li
,
L.
Li
,
Y.
Nan
,
X.
Li
,
X.
Zhang
,
D. V.
Gunderov
,
V. V.
Stolyarov
, and
A. G.
Popov
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
062509
(
2007
).
41.
H.
Li
,
L.
Lou
,
F.
Hou
,
D.
Guo
,
W.
Li
,
X.
Li
,
D. V.
Gunderov
,
K.
Sato
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
142406
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.