Ученые ЛНФ ОИЯИ в сотрудничестве с научными центрами Вьетнама провели исследования необычных типов функциональных материалов, которые относятся к так называемым геометрически фрустрированным магнитным материалам. Эти материалы проявляют не только новые магнитные состояния с необычными физическими свойствами, но также в них при изменении температуры и давления можно наблюдать и новые физические явления, например, появление состояния спиновой жидкости.
Изучение свойств этих материалов важно не только для развития современных представлений в области физики конденсированного состояния, но также и для разработки передового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации.
На прошедшем конкурсе научных работ ОИЯИ за 2021 г. цикл «Новые структурные, магнитные состояния и физические явления в геометрически фрустрированных функциональных магнитных материалах при изменении термодинамических параметров» был удостоен второй премии в категории за научно-исследовательские экспериментальные работы. Авторы цикла: Д. П. Козленко, Н. О. Голосова, С. Е. Кичанов, Е. В. Лукин, А. В. Руткаускас, Б. Н. Савенко, О. Н. Лис, Н. М. Белозерова (ЛНФ ОИЯИ), Данг Нгоак Туан (Университет Дуй Тан, Вьетнам), Ле Хонг Кхьем (Институт физики ВАНТ, Вьетнам).
Функциональные материалы с геометрически фрустрированными магнитными решетками являются одними из наиболее актуальных объектов исследования в современной физике конденсированного состояния, материаловедения, химии. Это связано с тем, что существование нескольких энергетически эквивалентных спиновых конфигураций на геометрически фрустрированных решетках приводит к формированию новых магнитных состояний с необычными физическими свойствами и новых физических явлений, среди которых – состояния спиновой жидкости, спинового стекла и спинового льда, квантовые критические явления, сверхпроводимость, скирмионные состояния, новые типы коллективных магнитных и решеточных возбуждений, фазовых переходов, магнитоэлектрические явления и др.
С целью систематического исследования особенностей формирования магнитных и спиновых состояний были проведены исследования нескольких перспективных классов функциональных магнитных материалов CrBr3, FePS3, BaYFeO4, Ca3Co2O6, Ca3Co2-xFexO6, Co3O4 с геометрически фрустрированными магнитными решетками в широком диапазоне термодинамических параметров (температуры 5 – 300 К и давления 0 – 10 ГПа) методом нейтронной дифракции и комплементарными экспериментальными методами, включающими рентгеновскую дифракцию, исследования макроскопических магнитных свойств, Мессбауэровскую и Рамановскую спектроскопию.
Соединения CrBr3 и FePS3, являющиеся представителями семейства низкоразмерных ван-дер-ваальсовских слоистых магнитных материалов с симметрией магнитной решетки, подобной графену, демонстрируют существование магнитного упорядочения при достаточно высоких температурах в пределе до монослоя. В данных материалах обнаружено большое разнообразие новых физических явлений при изменении термодинамических параметров (температуры и давления), включая переход диэлектрик-металл, спиновый кроссовер, сверхпроводимость. Проведенные на базовой установке ОИЯИ – импульсном реакторе ИБР-2, исследования структурных и магнитных свойств соединения CrBr3 с помощью метода нейтронной дифракции [1] позволили обнаружить необычные эффекты — аномальное поведение структурных характеристик в области температуры ферромагнитного упорядочения (ТС = 35 К) и отрицательное тепловое расширение объема кристаллической решетки и квазидвумерных ван-дер-ваальсовских слоев в области температур T TC. Следует отметить, что отрицательное тепловое расширение является сравнительно редким физическим эффектом, обнаруженным лишь в нескольких классах материалов. Коэффициент линейного теплового расширения атомных слоев в CrBr3 в области T Tc, αl = -1.6х10-5 K-1, оказался близким к соответствующей величине для графена в области низких температур, что свидетельствует о хорошей совместимости материалов типа CrX3 и графена с точки зрения перспектив создания гетероструктур на их основе, практическое использование которых может стать важным шагом на пути к разработке передового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации.
В соединении FePS3 обнаружено существование новой структурной модификации с моноклинной кристаллической структурой в области давлений выше P = 1 ГПа (10000 атмосфер). Структурная перестройка при воздействии высокого давления приводит к изменению характера антиферромагнитного упорядочения с квазидвумерного на трехмерный, что проявляется в двукратном уменьшении размера элементарной ячейки магнитной решетки.
Соединение BaYFeO4 является мультиферроиком – веществом, в котором одновременно сосуществуют дальний магнитный порядок и сегнетоэлектрическая поляризация. Большой интерес к изучению мультиферроиков обусловлен потенциальной возможностью управлять их электрическими свойствами с помощью магнитного поля и наоборот – магнитными свойствами с помощью электрического поля. В BaYFeO4 спонтанная сегнетоэлектрическая поляризация имеет спин-индуцированную природу, связанную с особенностями симметрии магнитных состояний. С помощью комбинации методов нейтронной дифракции, исследований макроскопических магнитных свойств и Мессбауэровской спектроскопии детально исследованы особенности симметрии магнитоупорядоченных состояний и магнитные свойства данного соединения,
Одним из интересных представителей структурно сложных оксидов кобальта является соединение Ca3Co2O6. Наличие чередующихся октаэдров CoO6, содержащих ионы Co3+ в низкоспиновом LS (S = 0) состоянии и тригональных призм CoO6, содержащих ионы Co3+ в высокоспиновом HS (S = 2) состоянии, приводит к формированию квазиодномерных спин-цепочечных магнитных структур на фрустрированной магнитной треугольной решетке. При нормальном давлении в Ca3Co2O6 формируется антиферромагнитное состояние типа волны спиновой плотности, периодичность магнитной решетки которого несоразмерна по сравнению с кристаллической решеткой, вектор распространения qsdw = (0, 0, 1.01) и температура Нееля TN = 25 K. Также, в области низких температур наблюдалось появление неупорядоченной магнитной фазы, ближний порядок которой характеризуется магнитной корреляционной длиной 128 Å. При воздействии высокого давления выше 2 ГПа наблюдалось подавление несоразмерной антиферромагнитной фазы и появление новой соразмерной антиферромагнитной фазы с вектором распространения qcaf = (0.5, -0.5, 1) и TNC = 26 K.
В шпинели Co3O4 наличие пространственного упорядочения ионов Co3+ в низкоспиновом LS (S = 0) состоянии с октаэдрическим кислородным окружением и Co2+ в высокоспиновом HS (S = 3/2) состоянии с тетраэдрическим кислородным окружением приводит к формированию фрустрированной магнитной решетки типа алмаза, на которой возможно появление уникального состояния спиновой спиральной жидкости. При нормальном давлении наблюдалось формирование сложного магнитного состояния, включающего сосуществование коллинеарной антиферромагнитной фазы и разупорядоченного магнитного состояния, предположительно типа спиновой спиральной жидкости. При повышении давления до 9 ГПа наблюдалось подавление разупорядоченной магнитной фазы и значительное увеличение TN для антиферромагнитной фазы в 1.5 раза, с 30 до 51 К. Выявлена важная роль сверхобменных взаимодействий посредством двух анионов типа A-O-O-A в формировании магнитных свойств