Ученые Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований 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 ОИЯИ 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 [2].
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 [3]. Обнаружено существование модулированных состояний с дальним магнитным порядком типа волны спиновой плотности и циклоиды, а также магнитно-разупорядоченной фазы спинового стекла, возникающей ниже T* = 17 K. Показано, что BaYFeO4 является редким примером мультиферроика, в формировании магнитоэлектрических свойств которого большую роль играет разупорядоченная фаза спинового стекла.
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 наблюдались подавление несоразмерной антиферромагнитной фазы и появление новой соразмерной антиферромагнитной фазы с вектором распространения qcaf = (0.5, -0.5, 1) и TNC = 26 K [4]. Аналогичный эффект также наблюдался при замещении кобальта железом: при увеличении концентрации железа в соединениях Ca3Co2-xFexO6 обнаружено подавление несоразмерных магнитных состояний [5]. В рамках существующих теоретических моделей проанализированы изменение внутрицепочечных и межцепочечных магнитных взаимодействий и их роль в механизмах формирования магнитоупорядоченных состояний и магнитных свойств. На основе одномерной модели Изинга в приближении среднего поля рассчитан барический коэффициент температуры Нееля, получено хорошее согласие с экспериментальной величиной.
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 наблюдались 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 [6].
Публикации цикла работ:
- D. P. Kozlenko, O. N. Lis, S. E. Kichanov, E. V. Lukin, N. M. Belozerova, B. N. Savenko “Spin induced negative thermal expansion and spin-phonon coupling in van der Waals material CrBr3”, npj Quantum materials 6: 19 (2021).
- M. J. Coak, D. M. Jarvis, H. Hamidov, A. R. Wildes, J. A. M. Paddison, C. Liu,
C. R. S. Haines, N. T. Dang, S. E. Kichanov, B. N. Savenko, S. Lee, M. Kratochvilova, S. Klotz, T. Hansen, D. P. Kozlenko, J.-G. Park, and S. S. Saxena “Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS3”, Physical Review X 11, 011024 (2021). - N. T. Dang, D. P. Kozlenko, R. P. Madhogaria, D. T. Khan, L. T. P. Thao, S. E. Kichanov, B. N. Savenko, A. V. Rutkaukas, N. Tran, T. L. Phan, L. H. Khiem, T. A. Tran, and
M. H. Phan “Spin-glass induced ferroelectricity in BaYFeO4: A high magnetic field study”, Phys. Rev. Materials 5, 044407 (2021). - D. P. Kozlenko, N. T. Dang, N. O. Golosova, S. E. Kichanov, E. V. Lukin, P. J. Lampen Kelley, E. M. Clements, K. V. Glazyrin, S. H. Jabarov, T. L. Phan, B. N. Savenko,
H. Srikanth, M. H. Phan “Pressure-induced modifications of the magnetic order in the spin-chain compound Ca3Co2O6”, Physical Review B, 98, 134435 (2018). - R. Das, N. T. Dang, V. Kalappattil, R. P. Madhogaria, D. P. Kozlenko, S. E. Kichanov,
E. V. Lukin, A. V. Rutkaukas, T. P. T. Nguyen, L. T. P. Thao, N. S. Bingham, H. Srikanth, M. H. Phan «Unraveling the nature of Fe-doping mediated inter- and intra-chain interactions in Ca3Co2O6», Journal of Alloys and Compounds, 851, 156897 (2021). - N. O. Golosova, D. P. Kozlenko, D. Nicheva, T. Petkova, S. E. Kichanov, E. V. Lukin, G. Avdeev, P. Petkov, B. N. Savenko “High pressure effects on the crystal and magnetic structures of Co3O4”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 508, 165360 (2020).
Информация предоставлена пресс-службой Объединенного института ядерных исследований