Российские физики совместно с иностранными коллегами изучили эволюцию сложной структуры марганец-кобальт-содержащего мультиферроика — вещества, проявляющего магнитные и электрические свойства одновременно. Такие материалы перспективны для разработки устройств электроники нового поколения, например, суперкомпьютеров. Исследование поддержано грантом РНФ. Статья опубликована в журнале Physical Review B и внесена в список избранных статей номера.

«Мы установили, при каких условиях в веществе проявляется электрическая поляризация и как она зависит от изменения магнитной структуры под воздействием внешнего поля. Также мы выявили новые функциональные возможности магнитоэлектрических материалов, позволяющие управлять магнитными состояниями через электрические поля и, наоборот, электрическими состояниями с помощью магнитного поля. Исследования представляют прежде всего научный интерес, они дают полную картину эволюции магнитных структур вплоть до предельных магнитных полей и выявляют закономерности их поведения. Полученные результаты имеют общий характер и могут полезны при изучении других магнитных материалов, обладающих сложными антиферромагнитными структурами», ‒‒ пояснил ученый.

Магнитные или электрические свойства вещества возникают благодаря его составу и структуре — расположению атомов в кристаллической решетке. Магнитным упорядочением называется явление, при котором магнитные моменты атомов в веществе выстраиваются определенным образом спонтанно, то есть без воздействия внешнего магнитного поля. Если направление при этом одинаково, то упорядочение называется ферромагнитным. Такой вариант считается наиболее простым, однако существуют и более сложные типы: при антипараллельной ориентации (магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно) возникает антиферромагнитное упорядочение, а при разнонаправленной — так называемые неколлинеарные магнитные структуры. При электрическом упорядочении в кристалле без воздействия внешнего поля может возникать спонтанная поляризация — смещение электрических зарядов. Это характерно для сегнетоэлектриков, свойства которых определяются симметрией кристалла, которая, в свою очередь, зависит от внешних условий, в частности от температуры.

В последнее время в мире проявляется большой интерес к новым материалам — мультиферроикам. В них магнитное и электрическое упорядочение существуют одновременно и оказывают сильное влияние друг на друга. Физики находят все больше таких материалов и, изучая их, наблюдают ранее неизвестные явления. Основная сложность при изучении этих веществ состоит в том, что взаимосвязь электрической поляризации с различными магнитными структурами имеет, как правило, достаточно сложный характер и требует проведения технически сложных и дорогостоящих исследований в сильных магнитных полях. Эти условия могут обеспечить только масштабные установки класса mega-science (ускорители, ядерные реакторы и коллайдеры заряженных частиц, мощные лазеры, вычислительные комплексы и т. д.).

Ученые из Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН совместно с российскими и зарубежными коллегами изучили свойства монокристалла мультиферроика Mn0.8Co0.2WO4 в широком диапазоне воздействия магнитного поля.

«Расположение и ориентация атомных магнитных моментов в кристалле формируют его магнитную структуру, которая зависит в том числе и от состава вещества. При замене двадцати процентов марганца на кобальт в составе мультиферроика MnWO4 мы получили сложную антиферромагнитную коническую структуру вместо обычной плоской», — рассказал ведущий научный сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, кандидат физико-математических наук Александр Мухин.

Физики изучили эволюцию этой структуры в очень широком диапазоне величины магнитного поля вплоть до так называемого спин-флип перехода, когда под действием внешнего поля магнитные моменты самого вещества выстраиваются вдоль этого поля, и вещество переходит в ферромагнитное состояние. Исследователи построили так называемые магнитоэлектрические фазовые диаграммы, описывающие состояние вещества в каждой точке в зависимости от температуры и внешнего поля. Оказалось, воздействие магнитного поля вдоль оси конуса и перпендикулярно ей приводит к различиям в фазовых переходах и поведении электрической поляризации вещества.

Рисунок: схематическое изображение конической м...

Рисунок: схематическое изображение конической магнитной структуры мультиферроика Mn0.8Co0.2WO4 относительно осей кристалла. Зеленые сферы представляют собой магнитные ионы Mn или Co, магнитные моменты которых лежат на конических поверхностях и вращаются по ним на дискретные углы при переходе с одного иона на другой. Источник: Александр Мухин

Материалы с такими свойствами перспективны для разработки устройств спинтроники (электроники нового поколения), например, суперкомпьютеров. Полученные результаты можно использовать для отработки управления свойствами подобных материалов.

Исследования проводились совместно с коллегами из Университета Страны Басков (Испания), Университета Гренобль Альпы (Франция), Каталонского института перспективных исследований (ICREA), Автономного университета Барселоны (Испания), Центра Гельмгольца Дрезден-Розендорф (Германия), Лаборатории сильных магнитных полей Китайской академии наук, Института Лауэ-Ланджевена (Франция), Института материаловедения Барселоны (ICMAB), а также Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.