Ученые выяснили особенности магнитного поведения сложного кристалла железа

Новости МирТесен

Специалисты из физического факультета МГУ выяснили, как происходят аномальные изменения магнитных свойств в кристалле антиперовскита –Fe₂SeO. Исследование показывает, что сложная структура кристаллической решетки вынуждает вещество находить баланс между различными, противоречащими друг другу, магнитными взаимодействиями. Данные, полученные в ходе работы, были получены при поддержке Российского научного фонда (грант 25-12-00028), опубликованы в журнале Q1 Chemistry of Materials.

При высоких температурах магнитные моменты во всех веществах ориентированы хаотично. По мере охлаждения происходит упорядочивание этих моментов: в некоторых материалах они выстраиваются, формируя постоянные магниты, или ферромагнетики, тогда как в других – внутренний магнетизм становится неявным. Это связано с тем, что магнитные моменты могут выстраиваться в противоположные направления, взаимно компенсируя магнитное поле. Материалы, демонстрирующие такую особенность, именуются антиферромагнетиками. Тем не менее, кристалл антиперовскита не сразу принимает окончательную структуру магнитного упорядочения.

«Особенность данного антиперовскита заключается в уникальном расположении ионов железа в его кристаллической структуре. Ионы формируют плоские слои, состоящие из связанных между собой колец, содержащих от четырех до четырнадцати звеньев. Учитывая, что все основные взаимодействия между ионами железа в этом соединении носят антиферромагнитный характер, магнитные моменты стремятся ориентироваться в противоположные стороны, что приводит к их взаимной компенсации», – по словам старшего научного сотрудника кафедры физики низких температур и сверхпроводимости, входящей в состав физического факультета МГУ Екатерина Козлякова.

В силу особенностей структуры, формируемой связями Fe–O–Fe, система испытывает эффект фрустрации: магнитные моменты не способны одновременно соответствовать требованиям всех окружающих атомов и выстраиваться в идеальном антипараллельном порядке.

По данным исследований, при охлаждении до температуры 104 К (-169°C) материал достигает промежуточного состояния и трансформируется в ферримагнит. В этот момент внутри каждой элементарной ячейки возникает своеобразный баланс: 10 магнитных моментов ориентированы в одном направлении, а 8 — в противоположном. Эта незначительная разница в количестве магнитных моментов, всего в два, обуславливает суммарный магнитный эффект, из-за которого кристалл проявляет свойства постоянного магнита.

«При дальнейшем понижении температуры ниже 78 К (-195°C) происходит принципиальное изменение ситуации. Достигнув этой отметки, ранее образовавшиеся магнитные блоки перестраиваются таким образом, что их нескомпенсированные моменты располагаются в противоположных направлениях. Вследствие этого, полная намагниченность кристалла снижается до нуля, и он приобретает свойства антиферромагнетика», – пояснила преподаватель кафедры физики низких температур и сверхпроводимости, работающей на физическом факультете МГУ Ольга Волкова.

Обнаруженный переход был фазовым переходом первого рода, что представляет собой значительную редкость в физике магнитных материалов. Примечательно, что температура этого изменения практически точно совпала с температурой кипения жидкого азота, из-за чего исследователи несколько раз проверяли герметичность криогенного оборудования в процессе экспериментов.

Авторам пришлось обеспечить высокую точность на всех этапах исследования, начиная с выращивания монокристаллов. При синтезе желаемая модификация – Fe₂SeO – нередко образуется в смеси с другой фазой, которую нельзя различить визуально, поэтому каждый образец выбирался вручную с использованием дифрактометра.

Разработанная физиками подробная модель, рассматривающая микроскопические процессы, позволяет не только понять сущность «магнитного трансформера», но и углубить знания об иерархическом строении магнитного порядка в сложных кристаллических структурах. Это имеет большое значение для создания новых материалов с полезными свойствами, предназначенных для применения в микроэлектронике.

Информация предоставлена пресс-службой МГУ