Объяснены магнитные свойства диэлектриков Мотта при низких температурах

Подтверждена теория, объясняющая необычный тип «слоистого» магнетизма в экзотических соединениях под названием диэлектрики Мотта при криогенных температурах. Ответственным за это явление оказалось необычное взаимодействие электронов и вызываемые им искажения в расположении атомов. Работа американских физиков опубликована в журнале Nature Communications.

К диэлектрикам Мотта относятся материалы, которые согласно обычной теории электрической проводимости должны быть проводниками, однако являются изоляторами. Этим свойством их наделяет сильная корреляция между электронами, приводящая к отталкиванию. Такая динамика создает препятствие для движения частиц, что можно сравнить с пробкой на автодороге. Ученые надеются научиться управлять переходом веществ в состояние диэлектрика Мотта, что позволит разработать новые виды функциональных устройств. Интерес к этим соединениям также вызван тем фактом, что некоторые из них являются высокотемпературными сверхпроводниками, если их структуру определенным образом изменить при помощи примесей.

Несмотря на повышенный интерес, полноценной электронной теории этих веществ нет. Основным затруднением является тесная взаимосвязь состояния разных электронов, что очень запутывает описание. Ситуация также осложняется так называемым спин-орбитальным взаимодействием. Это феномен выражается в связи между магнитным моментом электрона и его движением вокруг ядра. «В ситуации сложных взаимодействий, а также присутствия спин-орбитального спаривания, теоретическое описание становится чрезвычайно сложным, — говорит ведущий автор работы, профессор Брауновского университета Весна Митрович. — Тем не менее нам необходима такая фундаментальная квантовая теория описания, чтобы предсказывать свойства сложных веществ и использовать их».

Работа Митрович и соавторов связана с особым типом магнетизма, который возникает в изоляторах Мотта при охлаждении ниже критической температуры. Они исследовали соединение бария, натрия, осмия и кислорода при помощи ядерного магнитного резонанса для одновременного получения информации о распределении зарядов и спинов электронов. В результате было выяснено, что изменения в распределении зарядов вызывают искажения в атомных орбиталях и решетке. При дальнейшем охлаждении, эти искажения приводят к появлению магнетизма вследствие выравнивания спинов электронов внутри атомных слоев.

«В одном слое спины ориентированы в одну сторону, а в слоях сверху и снизу — в другую, — поясняет Митрович. — В результате появляется слабая общая намагниченность при сильной намагниченности внутри каждого слоя». Таким образом, исследование подтвердило существовавшую теорию о предшествовании зарядовых искажений слоеному магнетизму. Такие необычные вещества могут стать основой для проборов с низким энергопотреблением, но понимание на фундаментальном уровне является необходимым условием их разработки.