Ученые выяснили, что кристаллы соединения на основе железа, селена и кислорода при охлаждении дважды меняют свое магнитное состояние. Сначала материал намагничивается за счет того, что магнитные моменты его атомов выстраиваются в двух противоположных направлениях, но не «уравновешивают» друг друга. Затем, хотя этот порядок не нарушается, намагниченность теряется, поскольку разнонаправленные магнитные моменты полностью компенсируются. Благодаря таким свойствам материал потенциально можно будет использовать при разработке устройств магнитной памяти. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemistry of Materials.
Современные компьютеры на основе кремниевой микроэлектроники практически достигли максимально возможной быстроты действия. Поэтому ученые ищут новые материалы, в которых можно было бы хранить и передавать информацию с помощью не заряда (электричества), а магнитных моментов электронов. Среди таких материалов перспективны антиперовскиты — кристаллы, магнитными свойствами которых можно управлять с помощью внешних воздействий, например, температуры.
Ранее исследования показали, что в кристаллах антиперовскита на основе железа, селена и кислорода магнитные моменты атомов приобретают четкий порядок сразу при двух температурах (-169°C и -195°C). Однако как меняется при этом структура кристалла и что происходит при переходе между этими состояниями, не было известно.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами вырастили кристаллы антиперовскита на основе железа, селена и кислорода и описали его переходы между разными магнитными состояниями при охлаждении.
Авторы выяснили, что структура этого кристалла напоминает сложный узор: ионы железа образуют плоские слои из колец с 4, 6 или 14 звеньями. Эти слои наклонены относительно осей кристалла и соединены дополнительными ионами железа. Именно такая геометрия создает магнитную «неоднородность» материала.
Исследователи поместили кристаллы в магнитное поле и измерили их намагниченность при разных температурах. Оказалось, что при охлаждении до -169°C материал переходит в ферримагнитное состояние, когда магнитные моменты его атомов выстраиваются антипараллельно (в противоположных направлениях друг к другу). При этом разнонаправленные магнитные моменты не компенсируют друг друга, и кристалл оказывается намагниченным.
При дальнейшем охлаждении до -195°C происходит второй переход: материал становится антиферромагнетиком. Его магнитные моменты его атомов все так же противонаправлены, но уже полностью компенсируют друг друга. В результате кристалл теряет намагниченность.
«При температуре -169°C внутри каждой ячейки кристалла идет "борьба" магнитных моментов: 10 из них направлены в одну сторону, а 8 — в другую. Эта разница и создает магнитный отклик. Но стоит опустить температуру ниже -195°C, как соседние ячейки располагают свои нескомпенсированные моменты противоположно и полностью уравновешивают друг друга, делая кристалл не намагниченным. Материалы, в которых происходят подобные переходы, востребованы в спинтронике — технологии записи информации с помощью магнитных моментов электронов. Исследованное соединение, несмотря на свой потенциал, пока имеет очень низкие температуры переключения магнитных состояний, что ограничивает его применение в технологиях. Однако этот материал является ключевым для развития нового поколения элементов магнитной записи с минимальными энергопотерями. Включение в него металлов с большей магнитной “неоднородностью” может значительно увеличить температуры магнитных переходов, открывая широкие возможности для практического внедрения», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Волкова, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
В исследовании принимали участие сотрудники Института экспериментальной минералогии имени академика Д.С. Коржинского РАН (Черноголовка), Института ядерных исследований РАН (Москва), Университета штата Северная Каролина (США) и Университета Кёнхи (Южная Корея).
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
