Два упорядоченных магнитных состояния β-Fe2SeO, охарактеризованные с помощью анализа спинового обмена, рентгеновской дифракции, измерения крутящего момента и намагниченности
В физике магнитных материалов нечасто встречается, когда вещество сначала становится ферро/ферримагнетиком, а при дальнейшем охлаждении – антиферромагнетиком. А еще реже удается получить чистейший монокристалл и построить подробную микроскопическую модель магнетизма в нем. Группе российских материаловедов из МГУ, МИСИС, ИЭМ и ИЯИ РАН с зарубежными коллегами все это удалось и теперь для антиперовскита β-Fe₂SeO есть подробная магнитная модель.
При достаточно высокой температуре магнитные моменты во всех материалах направлены беспорядочно. Но при охлаждении природа наводит порядок. Одни материалы выстраивают их параллельно и превращаются в постоянные магниты (или ферро-/ферромагнетики), а другие — антипараллельно и компенсируют магнитное поле друг друга, это антиферромагнетики.
β-Fe₂SeO при ~104 K становится ферримагнетиком: появляется гистерезис, возникает ненулевая намагниченность — вполне себе кандидат в постоянные магниты. Но если охлаждать дальше (ниже ~78 K), материал становится антиферромагнетиком.
Конечно, это не первый такой случай (классический пример – гематит с переходом Морина). Что такого особенного в этом антиперовските? Кратко — то, что происходит внутри магнитной подсистемы при этих фазовых переходах. Подробнее:
На микроскопическом уровне причина этого поведения нетривиальна, лишний раз демонстрируя, как природа умеет красиво балансировать, чтобы найти оптимум. Все основные магнитные обменные взаимодействия между ионами железа в β-Fe₂SeO являются антиферромагнитными, заставляя соседние магнитные моменты выстраиваться антипараллельно, и сопоставимы по величине. Казалось бы, вещество должно быть антиферромагнетиком. Но магнитные моменты организованы в настолько сложную сеть Fe–O–Fe связей, образуют взаимосвязанные кольца и слоистые фрагменты, что в такой геометрии система не может сразу стать антипараллельной: слишком много конкурирующих связей. В результате она выбирает промежуточный компромисс — ферримагнитную конфигурацию, в которой можно выделить блоки с распределением спинов 10 вверх и 8 вниз. Дальнейшее охлаждение приводит к реорганизации: при температуре ниже 78К ферримагнитные блоки выстраиваются в антиферромагнитный порядок, формируя сверхструктуру. Таким образом, низкотемпературное состояние возникает как результат коллективного взаимодействия уже сформированных магнитных блоков — это очень редкий пример иерархической организации магнитного порядка.
Кроме того, в деталях:
— кристаллы отбирались вручную на монокристалльном дифрактометре, при синтезе получается смесь кристаллов β и α фаз с другой кристаллической структурой, которые внешне отличить невозможно
— фазовый переход при 78 K оказался первого рода (экзотика для магнетизма)
— температура перехода подозрительно совпала с кипением азота.
Статья вышла в журнале Chemistry of Materials.
Источник: Пресс –служба МГУ