Российские ученые описали структуру и физические свойства трех кристаллов, обладающих нетривиальными магнитными свойствами. Все исследованные соединения оставались стабильными при сильном нагреве и охлаждении, благодаря чему их можно использовать в качестве элементов памяти в суперкомпьютерах, которые очень чувствительны к внешним воздействиям.
В сибирских месторождениях мрамора и магнийсодержащих пород можно обнаружить оксобораты — природные минералы, представляющие собой соединения бора, кислорода и различных металлов, таких как железо, магний и титан. Некоторые из них считаются весьма перспективными в качестве прототипов материалов для микроэлектроники благодаря хорошо управляемым магнитным и термическим свойствам. На их основе потенциально можно будет создавать элементы памяти и микропроцессоры, работающие в разы быстрее существующих и при этом потребляющие гораздо меньше энергии.
Некоторые оксобораты имеют настолько нетривиальный состав и структуру, что до сих пор не удается воспроизвести их в лабораторных условиях. Среди таких систем известны три соединения — вонсенит, халсит и азопроит, которые различаются составом, соотношением входящих в них металлов и кристаллической структурой. Однако их строение и физические свойства до сих пор оставались малоизученными.
Ранее исследователи из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН (Санкт-Петербург), Казанского федерального университета (Казань), Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) описали кристаллическую структуру и поведение при нагревании двух оксоборатов — вонсенита и халсита. Авторы выяснили, что атомы в этих кристаллах уложены в виде геометрических фигур: треугольников (так соединяются атомы бора с кислородом) и октаэдров, то есть восьмигранников, образованных кислородом и металлами. Оба вещества остаются стабильными при нагревании до 400°С. При более высоких температурах железо в их составе окисляется, что приводит к деформациям их структуры и последующему разложению.
В новой работе та же исследовательская группа изучила третий минерал — азопроит. Ученые описали его состав и строение, используя рентгеновскую спектроскопию и рентгеноструктурный анализ. Первым методом можно определить химический состав соединений качественно (какие элементы присутствуют) и количественно (сколько этих элементов), чтобы впоследствии рассчитать их истинную формулу. Суть второго метода сводится к тому, что через образец либо в виде целого кристалла, либо же растертый до состояния порошка, пропускают рентгеновские лучи, благодаря чему получается уникальный для каждого кристалла снимок, то есть рентгенограмма. Этот процесс имеет некоторую аналогию со снимком грудной клетки, получаемым при флюорографии. Затем по получаемому изображению физики воссоздают взаимное расположение атомов в кристалле.
Оказалось, что структура азопроита довольно схожа с другими оксоборатами — атомы в кристалле также образуют октаэдры и треугольники, соединенные между собой вершинами. Кроме того, авторы исследовали, как изменяются магнитные и термические свойства соединения при различных температурах: комнатной, при нагреве и охлаждении. Это важно для того, чтобы определить, в каких температурных пределах можно потенциально использовать устройства на основе азопроита. Эксперименты показали, что при охлаждении вплоть до температур порядка -250°С в азопроите, в отличие от его «родственников» вонсенита и халсита, атомы не выстраивались в одинаковом направлении относительно магнитного поля, то есть не наблюдалось их магнитное упорядочение. При этом азопроит оказался более устойчивым к нагреванию, чем вонсенит и халсит, — его структура оставалась стабильной при нагреве до 800°С, а плавление происходило при температурах выше 1300°С. Это можно объяснить тем, что в азопроите содержится меньше атомов железа, которые подвергаются окислению при нагревании. Их доля в оксидной форме составляет всего 4%, тогда как в вонсените и халсите — 53% и 50% соответственно.
«Наши исследования оксоборатов позволили подробнее описать взаимосвязь между их составом, структурой и свойствами, что поможет определить области потенциального применения, а также условия, в которых синтетические аналоги на их основе можно будет использовать в качестве элементов микроэлектроники. Мы планируем и далее изучать подобные соединения, в том числе искусственные, чтобы расширить спектр материалов для элементов памяти нового поколения», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ярослав Бирюков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИХС РАН.