Модель прояснила свойства вещества нижней мантии Земли

Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) путем численного моделирования изучили поведение магнитных диэлектриков при воздействии на них высокого давления. В результате были описаны наблюдаемые в экспериментах эффекты и предсказан ряд новых феноменов, которые могут найти применение в создании различных сенсоров и устройств памяти. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Объектом исследования ученых стали магнитные диэлектрики с так называемым спиновым кроссовером. Это явление заключается в переходе вещества от одного спинового состояния к другому под каким-либо внешним воздействием. Ярким примером таких веществ является ферропериклаз – второй по распространенности минерал в нижнем слое мантии Земли, состоящий из атомов кислорода, магния и железа.

Десять лет назад ученые из Аргоннской лаборатории (США) в ходе эксперимента установили, что ферропериклаз при определенном высоком давлении скачкообразно меняет свою плотность (для достижения огромных давлений использовалась алмазная наковальня). Это позволило объяснить ряд аномалий, замеченных ранее геофизиками, которые изучают внутреннее строение Земли сейсмическими методами. Так, оказалось, что при давлении, превышающем атмосферное примерно в 940 тысяч раз, плотность минерала скачком увеличивается на 3%.

Ученые Сибирского федерального университета под руководством Сергея Овчинникова в коллаборации с профессором Гвадалахарского университета (Мексика) Александром Нестеровым создали математическую модель, описывающую строение ферропериклаза, и проанализировали, как меняются его свойства с изменением давления.

«Одной из задач было узнать, как на поведение вещества влияют так называемые кооперативные эффекты», – пояснил соавтор работы Сергей Николаев. Кооперативными эффектами называются явления, связанные с тем, что отдельные ионы в структуре вещества взаимодействуют со своим окружением – соседними ионами внутри кристаллической решетки. В частности, за счет этого явления наблюдаются изменения в спиновых состояниях отдельных ионов.

«В нашу модель мы ввели некие параметры: давление, температуру — и, варьируя их, наблюдали различные переходы вещества. Так, в районе абсолютного нуля температур произошел резкий квантовый фазовый переход», – пояснил Сергей Николаев. При более высоких температурах фазовые переходы первого рода, при которых наблюдается изменение плотности, становились более плавными.

Кроме того, в результате численного моделирования был получен ряд новых эффектов. Среди них – возникновение метастабильных состояний вещества вблизи точек перехода и так называемый гистерезис, заключающийся в том, что при увеличении давления квантовый переход происходит при одном его значении, а при движении в обратном направлении – при другом.

По словам ученых, ряд других известных материалов обладает похожими на ферропериклаз свойствами. Их способность скачкообразно менять свои свойства при изменении внешнего давления позволит в будущем создавать на их основе всевозможные сенсоры.

«Например, можно сделать так, чтобы при таких переходах вещество меняло цвет или другие оптические свойства. При этом измерять таким образом можно не только гигантские, но и невысокие давления, все зависит от подстройки системы», – пояснил соавтор работы Юрий Орлов. Помимо этого, феномен спинового кроссовера можно использовать в различных устройствах памяти. «Два состояния, низко- и высокоспиновое, – это как ноль и единица, которые можно записывать и потом считывать. Выгода получается за счет увеличения плотности записи, ведь ячейкой памяти будет выступать всего один ион», – рассказал соавтор работы.

Наконец, на основе исследованных эффектов можно создавать оптические переключатели, в которых на оптические свойства вещества можно воздействовать электромагнитным излучением – с этим эффектом связаны дальнейшие планы ученых.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.