Исследователи из Южного научного центра
РАН, Московского физико-технического института и Южно-Российского
государственного политехнического университета им. М.И. Платова нашли
25 обобщённых структур магнитных кристаллов, которым «психотерапия для
материалов» — химические или физические воздействия — может помочь победить
фрустрацию («неопределённость» свойств из-за конкуренции и сосуществования
разных внутренних взаимодействий) и стать материалами с выраженными и полезными
характеристиками. Благодаря строгому и обобщённому результату можно будет
эффективнее создавать материалы с заданными свойствами для разных приложений:
от энергонезависимой и быстрой памяти до магнитной сенсорики.
Исследование опубликовано в журнале Acta Materialia.
Особое место среди квантовых материалов — материалов
с особыми свойствами из-за квантовых эффектов — занимают сложные соединения, в
структурах которых имеется пирохлорная подрешетка. Это такая структура, в
которой металлические атомы занимают позиции в вершинах тетраэдров. Они,
соединяясь вершинами, образуют сеть тетраэдров.
Пирохлорная решётка и семейства веществ с такой
структурой
Кристаллы, содержащие пирохлорную подрешетку,
проявляют аномальные физические и химические свойства, такие как
сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, магнитоэлектрический
эффект, повышенная каталитическая активность, эффективные электродные свойства
и прочие. Также эти кристаллы обладают разнообразными технологически значимыми
свойствами: радиационно-защитными, фотокаталитическими, диэлектрическими,
термобарьерными и многими другими.
Многие из уникальных свойств материалов с
пирохлорной структурой связаны с поведением магнитной подсистемы. Если в
вершины тетраэдров поместить атомы, обладающие спинами — собственными
магнитными моментами, — получается такое состояние вещества, в котором
одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия: магнитные,
электрические и деформационные.
При этом система испытывает геометрическую
фрустрацию — по аналогии с психологической фрустрацией: из-за такой особой
геометрии «решающий» характер материала не определён. Это даёт возможность
химически, с помощью добавок, или физически, с помощью внешнего воздействия,
температуры или давления, влиять на взаимодействия свойств и получать материал
с нужными характеристиками.
Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник
лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ
«Наша задача была в том, чтобы на
наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства
веществ с пирохлорной решеткой. Анализ, который мы провели, — строгий и получен
без физических упрощений», — подчеркивает Михаил
Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ
и основной автор статьи.
Подход ученых был основан на инструментах теории
симметрии: магнитной кристаллографии, теории Ландау и теоретико-групповом
анализе. Они использовали геометрические особенности решетки пирохлора, чтобы
вывести все возможные модификации магнитно упорядоченных структур. То есть те
общие «решения» с полезными свойствами, которые можно получить из исходной
фрустрирующей и «неопределившейся» решетки пирохлора с помощью дополнительных
воздействий.
Ученые нашли 25 модельных структур. Оказалось, что
подавляющее большинство существующих материалов с пирохлорной подрешеткой можно
описать найденными структурами. Чтобы прийти к этому выводу, исследователи
сравнили результаты своих вычислений с базами данных экспериментально изученных
веществ с пирохлорной подрешеткой.
Неожиданным результатом оказалось то, что 24
модельные структуры из 25 обладают скрытыми свойствами, обусловленными
магнитной структурой, но напрямую с ней не связанными. Эти структуры образуются
не только за счет магнитного упорядочения, но и за счет деформации решетки —
такие структуры проявляют сегнетоэластические свойства. В случае жестких
неорганических каркасов с пирохлорным типом строения спиновое упорядочение
неотделимо от искажений решетки. Это означает, что спины электронов сильно
связаны с атомным каркасом. Изменяя состав каркаса, можно рационально
воздействовать на электронную подсистему кристалла. Этот результат открывает
новые возможности для управления процессами в электронике, химии, химической
технологии и, возможно, в биологии.
«Во многих работах при объяснении
свойств материала коллеги не учитывают деформацию решетки в своих моделях
магнитных взаимодействий. Наше исследование показало, что она есть почти во
всех магнитно-упорядоченных структурах и её необходимо учитывать»,
— поясняет Михаил Таланов.
Также два типа структур из найденных 25 — это
мультиферроики, в которых связаны электрические и магнитные свойства. Например,
такие материалы — основа будущих систем хранения информации за счёт управления
намагниченности электрическим полем или для разработки магнитных датчиков.
Экспериментаторы могут опираться на результаты статьи, чтобы синтезировать
вещества, ожидая нужных свойств у получаемых материалов. Исследование выполнено
при поддержке Российского научного фонда.
Источник: Naked Science.