Одной из самых важных и сложных задач современной физики конденсированного состояния является разработка и создание новых материалов, которые являются основой создания перспективных устройств во всех без исключения передовых отраслях промышленности, начиная от топливно-энергетического комплекса и заканчивая связью и коммуникациями. При этом вклад науки о материалах становится все более значимым и решающим. Важны не только разработка и открытие конкретного материала, даже самого уникального, но и исследование сложных физических процессов, проходящих в материалах, на основе чего осуществляется прогнозирование новых материалов и их новых свойств, что определяет развитие материаловедения на годы вперед. Среди уникальных физических явлений, предсказанных и открытых в последние годы, магнетизм (несомненно, новый и зачастую экзотический) является одним из основных флагманов развития материаловедения.

Физика низкоразмерного магнетизма - это одно из наиболее интересных и активно развивающихся направлений современной науки, т. к. в низкоразмерных магнетиках квантовая суть материи проявляется наиболее ярко, и становится возможным экспериментально наблюдать и применять в дальнейшем множество неклассических квантовых кооперативных эффектов. Сложен, но при этом и очень интересен случай двумерия, когда существенно возрастает влияние анизотропии и фрустраций, что очень усложняет механизмы достижения основного квантового состояния и увеличивает многообразие спиновых структур и новых магнитных явлений.

Что касается двумерия, то общим утверждением об установлении дальнего магнитного порядка в низкоразмерных системах является теорема Мермина–Вагнера-Березинского, согласно которой в одно- и двумерной изотропной гейзенберговской спиновой системе с конечным радиусом взаимодействия, для разрушения магнитного упорядочения достаточно даже малых флуктуаций, поэтому при отличной от абсолютного нуля температуре упорядочение становится невозможным. Но при этом, любые малые межслоевые, в двумерном случае, обменные взаимодействия либо фрустрация в спиновой подрешетке являются нарушениями условий данной теоремы и поэтому могут приводить к установлению дальнего магнитного порядка при конечной температуре T > 0, что и наблюдается на наших объектах.

Согласно Википедии, фрустрация – это негативное состояние человека, которое возникает в случае, если внезапно рушатся планы или не достигается ожидаемый результат. Еще можно описать это состояние, таким образом: фрустрация – это состояние, когда наши желания превышают наши возможности. Если это понятие применить к физическому явлению, в частности к магнетизму, то под геометрической фрустрацией обменного взаимодействия понимается такое пространственное расположение магнитных ионов в кристалле, при котором невозможно одновременное антипараллельное упорядочение всех взаимодействующих спинов и, следовательно, невозможна одновременная минимизация энергии для всех парных взаимодействий. В результате фрустрации эффективное обменное взаимодействие оказывается сильно ослабленным, и магнитная система испытывает трудности при формировании дальнего магнитного порядка.

В последнее время исследования по физике магнетизма переживают свой ренессанс. Появляются новые типы магнитных структур и магнитных свойств (например, скирмионы; магнетики, демонстрирующие топологические фазовые переходы; фрустрированные магнетики, типа Кагоме или спинового льда, низкоразмерные магнетики и т.д.), новые магнитные явления (магнетричество, магнитная хиральность…), новые типы магнитных взаимодействий. Магнитные свойства материалов со сложными магнитными структурами, такими как геликоидальные магнетики, фрустрированные магнитные структуры, спиновые стекла, магнитные материалы с пониженной размерностью, определяются конкуренцией нескольких взаимодействий. Существование сильного изотропного обменного взаимодействия наряду со слабыми релятивистскими взаимодействиями, нарушающими спиновую симметрию, приводит к появлению сложных магнитных структур и новых явлений: возникновению длиннопериодных спиралей определенной хиральности, появлению «скирмионных решеток», сложным фазовым переходам с несколькими параметрами порядка. Хрупкое равновесие, обусловленное этими взаимодействиями, может быть легко нарушено внешними силами: температурой, магнитным полем, давлением, и даже химическими замещениями.

Последние открытия в физике магнетизма уже приводят к революции в самых передовых областях технологии от создания новых типов компьютеров и их элементов, новых принципов связи до создания новых энергетических устройств. При этом, кроме резкого прогресса в уже развитых отраслях, создаются совершенно новые направления, такие как спинтроника или биомагнетика.

Лаборатория исследования материалов НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (ПИЯФ, ЛИМ) занялась указанной тематикой несколько лет назад. Был создан коллектив на основе молодых ученых, учащихся и выпускников магистратуры и аспирантов совместной кафедры ядерно-физических методов исследования НИЦ КИ - ПИЯФ – физфак СПбГУ, работающих в качестве лаборантов-исследователей и младших научных сотрудников в ПИЯФ. Это - А.Н. Коршунов, М.Д. Кучугура, С.Ю. Подчезерцев, Э.О. Быков, И.A. Сафиулина, А.Н. Суслопарова. Была поставлена задача получения новой информации о необычном магнетизме материалов, демонстрирующих, часто одновременно, явления сильных фрустраций обменных взаимодействий и двумерный магнетизм; детального описания микроскопической природы новых магнитных явлений, т.е. магнитных взаимодействий в системе, уточнения их величины и объяснения магнитной фазовой диаграммы в рамках построенной на основании экспериментальных данных модели магнитной структуры и магнитных взаимодействий. Исследуются физические свойства (в основном структурные и магнитные) новых материалов, синтезированных только в последнее время, и синтез которых еще только запланирован и идет параллельно с экспериментальными исследованиями. Это материалы с перспективами использования в микроэлектронике и спинтронике, возобновляемой энергетике и даже в бытовых устройствах.

Коллектив ЛИМ проводит свои исследования на материалах, синтезированных группой доцента, к.х.н. В.Б. Налбандяна на химическом факультете Южного федерального университета, г. Ростов на Дону. Измерения магнитных и других физических макросвойств, а именно, температурных зависимостей магнитной восприимчивости, теплоемкости, электронного парамагнитого резонанса осуществляются группой д.ф.-м. наук Е.А. Зверевой в МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, физический факультет, кафедра физики низких температур и сверхпроводимости. Кроме того, по некоторым объектам мы сотрудничаем с Казанским физико-техническим институтом им. E.K. Завойского РАН (группа Е. Вавиловой), Институтом физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН (группа С. Стрельцова), Институтом физики им. Кирхгофа, университет Гейдельберга, Германия (группа Р. Клингерера), Институтом физики твердого тела и исследования материалов им. Лейбница, Дрезден, Германия (группа Б. Бюхнера).

Но особенно нужно отметить нашу возможность проводить синхротронные и нейтронные дифракционные исследования на лучших в мире установках в научных центрах Европы. Это было достигнуто благодаря результатам первых нейтронных порошковых измерений, осуществленных на дифрактометрах, установленных на реакторе ВВР-М в ПИЯФ, SSPD (ответственные А.Л. Малышев и Р.П. Дмитриев) и PD (отв. О.П. Смирнов). Сейчас мы проводим измерения на синхротронных линиях в Европейском синхротронном центре ESRF в Гренобле, Франция, на линиях ID31 - ID22 (Энди Фитч) и BM25. Но основной наш инструмент – это нейтронные порошковые дифрактометры D2B и D20 в институте Лауэ-Ланжевена, Гренобль (Хуан Родригез-Карвахаль и Оскар Фабело), HRPT и DMC, институт Поля Шерера, Швейцария (Владимир Помякушин и Лукас Келлер), SPODI в Нейтронном центре Майера-Лейбница, Мюнхен, Германия (Анатолий Сенишин) и 3T2 и G4.1 в Сакле, Франция (Франсуаза Дамай).

Для иллюстрации приведем один из основных полученных научных результатов.

Это определение или уточнение кристаллической структуры и определение магнитной структуры нескольких слоистых оксидов типа A₃M₂SbO₆ и A₂M₂TeO₆, где A – щелочной металл, а M – переходный металл. Данные оксиды обладают слоистой сверхструктурой катионных слоев M₂Te/SbO₆ типа пчелиных сот и различными типами упаковки магнитных слоев и разными расстояниями между слоями. Кристаллическая структура соединений базируется на структурных мотивах на основе сопряженных по ребрам кислородных октаэдрических слоев с низко заряженными относительно большими катионами d-элементов в центрах 2/3 октаэдров. Упорядоченные смешанные слои, состоящие из магнитных М²⁺ и немагнитных Sb⁵⁺/Te⁶⁺ катионов внутри кислородных октаэдров чередуются с Li/Na слоями. Пример такой структуры соединения Li₃Ni₂SbO₆ представлен на рисунке. Шесть NiO₆ октаэдров, окружающих один SbO₆ октаэдр формируют сотообразную упаковку ab слоев.

Установлено, что магнитная структура таких слоистых магнетиков с решеткой типа пчелиные соты чрезвычайно чувствительна к соотношению обменных взаимодействий между ближайшими соседями и следующими, вторыми и третьими соседями, что индуцирует фрустрацию и реализацию неклассических магнитных фаз. Магнитная структура Li₃Ni₂SbO₆ была определена по данным низкотемпературной нейтронной дифракции при T = 1.5K. Впервые экспериментально установлено нетривиальное основное квантовое состояние. Магнитная структура может быть описана как зигзагообразные ферромагнитные цепочки, связанные антиферромагнитно в плоскости аb и ферромагнитно вдоль c. При этом, магнитные моменты еще и наклоняются в магнитоупорядоченном состоянии (ниже T_N) при понижении температуры от положения вдоль кристаллографической с-оси до положения перпендикулярно сотовому Ni₂SbO₆ (001) слою (на 15.6°), что свидетельствует о не учитываемом никем ранее обменном взаимодействии между сотовыми слоями.

Итогом работы лаборатории последних лет и благодаря первым, опубликованным в высокорейтинговых международных журналах, научных результатам, стало получение гранта Российского Научного Фонда (РНФ) на реализацию в 2018-2020 годы инициативного проекта «Исследование низкоразмерных фрустрированных магнетиков методами нейтронного и синхротронного излучения». Как отметил один из рецензентов проекта, «Общее направление работ по теме проекта соответствует одной из основных задач физики конденсированного состояния, т.е. обеспечения научной базы для разработки новых функциональных материалов, в данном случае речь идет о магнитных материалах нового поколения, причем, основанных в значительной степени на новых физических принципах. Общее мнение – это отличный проект, который научно значим, с высокой степенью вероятности будет реализован данным коллективом, и он соответствует ожиданиям в развитии мировой науки в данной области знаний, т.е. и будет ее уровень определять».

Александр Курбаков, д.ф.-м. наук