Какие материалы могут победить фрустрацию

Ученые из МФТИ, ЮНЦ РАН и ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова нашли 25 обобщенных структур магнитных кристаллов, которым «психотерапия для материалов» — химические или физические воздействия — может помочь победить фрустрацию («неопределенность» свойств из-за конкуренции и сосуществования разных внутренних взаимодействий) и стать материалами с выраженными и полезными характеристиками. Благодаря строгому и обобщенному результату можно будет эффективнее создавать материалы с заданными свойствами для разных приложений: от энергонезависимой и быстрой памяти до магнитной сенсорики. Исследование опубликовано в журнале Acta Materialia.

Особое место среди квантовых материалов — материалов с особыми свойствами из-за квантовых эффектов — занимают сложные соединения, в структурах которых имеется пирохлорная подрешетка. Это такая структура, в которой металлические атомы занимают позиции в вершинах тетраэдров. Они, соединяясь вершинами, образуют сеть тетраэдров.

Кристаллы, содержащие пирохлорную подрешетку, проявляют аномальные физические и химические свойства, такие как сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, магнитоэлектрический эффект, повышенная каталитическая активность, эффективные электродные свойства и прочие. Также эти кристаллы обладают разнообразными технологически значимыми свойствами: радиационно-защитными, фотокаталитическими, диэлектрическими, термобарьерными и многими другими.

Многие из уникальных свойств материалов с пирохлорной структурой связаны с поведением магнитной подсистемы. Если в вершины тетраэдров поместить атомы, обладающеми спинами — собственными магнитными моментами, — получается такое состояние вещества, в котором одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия: магнитные, электрические и деформационные. При этом система испытывает геометрическую фрустрацию — по аналогии с психологической фрустрацией: из-за такой особой геометрии «решающий» характер материала не определен. Это дает возможность химически, с помощью добавок, или физически, с помощью внешнего воздействия, температуры или давления, влиять на взаимодействия свойств и получать материал с нужными характеристиками.

«Наша задача была в том, чтобы на наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства веществ с пирохлорной решеткой. Анализ, который мы провели, — строгий и получен без физических упрощений», — подчеркивает Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и основной автор статьи.

Подход ученых был основан на инструментах теории симметрии: магнитной кристаллографии, теории Ландау и теоретико-групповом анализе. Они использовали геометрические особенности решетки пирохлора, чтобы вывести все возможные модификации магнитно упорядоченных структур. То есть те общие «решения» с полезными свойствами, которые можно получить из исходной фрустрирующей и «неопределившейся» решетки пирохлора с помощью дополнительных воздействий.

Ученые нашли 25 модельных структур. Оказалось, что подавляющее большинство существующих материалов с пирохлорной подрешеткой можно описать найденными структурами. Чтобы прийти к этому выводу, исследователи сравнили результаты своих вычислений с базами данных экспериментально изученных веществ с пирохлорной подрешеткой.

Неожиданным результатом оказалось то, что 24 модельные структуры из 25 обладают скрытыми свойствами, обусловленными магнитной структурой, но напрямую с ней не связанными. Эти структуры образуются не только за счет магнитного упорядочения, но и за счет деформации решетки — такие структуры проявляют сегнетоэластические свойства. В случае жестких неорганических каркасов с пирохлорным типом строения спиновое упорядочение неотделимо от искажений решетки. Это означает, что спины электронов сильно связаны с атомным каркасом. Изменяя состав каркаса, можно рационально воздействовать на электронную подсистему кристалла. Этот результат открывает новые возможности для управления процессами в электронике, химии, химической технологии и, возможно, в биологии.

«Во многих работах при объяснении свойств материала коллеги не учитывают деформацию решетки в своих моделях магнитных взаимодействий. Наше исследование показало, что она есть почти во всех магнитно-упорядоченных структурах и ее необходимо учитывать», — поясняет Михаил Таланов.

Также два типа структур из найденных 25 — это мультиферроики, в которых связаны электрические и магнитные свойства. Например, такие материалы — основа будущих систем хранения информации за счет управления намагниченности электрическим полем или для разработки магнитных датчиков. Экспериментаторы могут опираться на результаты статьи, чтобы синтезировать вещества, ожидая нужных свойств у получаемых материалов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект 22-22-00183).