Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ совместно с российскими коллегами получили и подробно изучили новый слоистый оксид с редчайшим сочетанием магнитных свойств. Он обладает двумерным магнетизмом, мультиферроизмом, а также связанной кристаллической и магнитной хиральностью. Такой уникальный набор свойств прежде наблюдался лишь у одного кристалла. Эта особенность делает новое соединение MnSnTeO6 перспективным для электроники будущего, основанной на квантовых эффектах. Результаты данной работы опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.
Секреты двумерного магнетизма
Физика низкоразмерного магнетизма является новым, активно развивающимся направлением современной науки. Особенно интересны двумерные магнетики, поскольку, в отличие от трехмерных, они очень «чувствительны» к внешнему воздействию. Это дает возможность управлять их свойствами без существенных энергетических затрат. Полученное учеными соединение MnSnTeO6 является новым представителем данного класса материалов.
«В двумерных магнетиках квантовая суть материи проявляется наиболее ярко: становится возможным экспериментально наблюдать и применять на практике множество неклассических квантовых эффектов», - отмечает заведующий лабораторией исследования материалов, руководитель отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Александр Курбаков. По словам ученого, одной из перспективных областей применения таких материалов является спиновая электроника (спинтроника), в рамках которой предполагается создание нового поколения ультракомпактных устройств с низким потреблением энергии.
Тайны мультиферроизма
Новый слоистый оксид обладает еще одним уникальным свойством – мультиферроизмом. Оно подразумевает одновременное присутствие нескольких типов «ферро» упорядочения: ферромагнитное, ферроэлектрическое и ферроупругое. Мультиферроизм проявляется в новом слоистом оксиде необычным способом: здесь действует уникальный механизм переключения электрической поляризации между одно- и двухдоменными конфигурациями. Благодаря этим особенностям данный материал может стать прообразом соединений, которые будут использоваться в новых высокотехнологичных устройствах с низким потреблением энергии. Для их функционирования не понадобится электрический ток: электрическими свойствами можно будет управлять с помощью магнитного воздействия. Этот же принцип будет работать и в обратную сторону, что позволит создавать устройства хранения информации со сверхвысокой плотностью записи.
Квантовая суть нового материала
Специалисты осуществили цикл нейтронных и рентгеновских исследований нового слоистого оксида MnSnTeO6. Они выяснили, какова структура отдельного магнитного слоя материала, расположение в нем магнитных ионов, величины и направления спинов ионов марганца, формирующих несоразмерную с кристаллической решеткой геликоидную спираль. «Спиновое упорядочение и связанное с ними изменение магнитных свойств происходят в слоистом оксиде при температуре ниже 10 Кельвинов. Это было установлено нами с помощью низкотемпературной нейтронной дифракции», - пояснил Александр Курбаков.
Результаты работы – это экспериментальная база, необходимая для теоретического обоснования общих механизмов и принципов низкоразмерного магнетизма, а также поиска новых систем двумерных магнетиков с уникальными мультиферроидными свойствами. В будущем, данный класс материалов может стать основой для электронных устройств нового поколения.
Работа выполнена в рамках проекта РНФ. В исследовании приняли участие специалисты НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, физического факультета МГУ, химического факультета ЮФУ и Института физики металлов УоРАН.
