При достаточно высокой температуре магнитные моменты во всех материалах направлены беспорядочно. Но при охлаждении природа наводит порядок и магнитные моменты упорядочиваются, некоторые материалы превращаются в постоянные магниты (или ферромагнетики), а другие, наоборот, «скрывают» свой внутренний магнетизм. Это происходит, когда магнитные моменты выстраиваются антипараллельно и компенсируют магнитное поле друг друга. Такие материалы называются антиферромагнетиками. Однако, кристалл антиперовскита не сразу выбирает окончательный магнитный порядок.
«Сложность заключается в очень необычном расположении ионов железа в кристаллической структуре этого антиперовскита. Они организованы в плоские слои, состоящие из взаимосвязанных колец с 4, 6 и 14 звеньями. Поскольку все основные взаимодействия между ионами железа в этом соединении являются антиферромагнитными, они стремятся развернуть магнитные моменты в противоположные стороны, чтобы те полностью гасили друг друга», – рассказала старший научный сотрудник кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ Екатерина Козлякова.
Однако из-за специфической геометрии связей Fe–O–Fe система оказывается в состоянии «фрустрации»: магнитные моменты не могут одновременно удовлетворить требования всех соседей и выстроиться идеально антипараллельно.
Как выяснили учёные, при охлаждении до 104 К (-169°C) материал находит промежуточное решение и переходит в ферримагнитное состояние. В этот момент внутри каждой элементарной ячейки происходит своеобразная «борьба», в которой 10 магнитных моментов направляются в одну сторону, а 8 — в другую. Эта небольшая разница в два магнитных момента создает суммарный магнитный отклик, благодаря которому кристалл начинает вести себя как постоянный магнит.
«Ситуация коренным образом меняется при дальнейшем охлаждении ниже 78 К (-195°C). При достижении этой точки уже сформированные магнитные блоки выстраиваются так, что их нескомпенсированные моменты направляются строго друг против друга. В результате общая намагниченность кристалла падает до нуля, и он становится антиферромагнетиком», – объяснила профессор кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ Ольга Волкова.
Этот переход оказался фазовым переходом первого рода, что является большой редкостью для физики магнитных материалов. Интересно, что температура этого превращения почти идеально совпала с температурой кипения жидкого азота, что на этапе экспериментов даже заставило учёных несколько раз перепроверять герметичность криогенных установок.
Исследование потребовало от авторов исключительной точности на всех этапах, начиная с выращивания монокристаллов. В процессе синтеза нужная модификация -Fe₂SeO часто получается в смеси с другой фазой, которую невозможно отличить визуально, поэтому каждый образец отбирался вручную с помощью дифрактометра.
Построенная физиками детальная микроскопическая модель не только объясняет природу «магнитного трансформера», но и расширяет представления об иерархической организации магнитного порядка в сложных кристаллических системах, что крайне важно для разработки новых функциональных материалов для микроэлектроники.
Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале Q1 Chemistry of Materials.
