На кафедре физики твердого тела исследовали антисимметричные обменные взаимодействия в соединениях переходных металлов

Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами провели систематическое исследование магнитных свойств слабых ферромагнетиков. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Магнитные вещества играют огромную роль в различных областях современной жизни. Магнитные моменты атомов в их составе при температурах ниже критической выстраиваются друг относительно друга определенным образом. Характер их расположения зависит от квантовомеханических «обменных» взаимодействий как между самими атомами, так и через возмущение окружающей среды.

Магнитные моменты атомов могут быть параллельны друг другу (ферро-и ферримагнетизм), антипараллельны (антиферромагнетизм), а также образовывать сложные «закрученные» структуры, например, зонтичные, геликоидальные (винтоообразные), спирали или вихри — скирмионы. Важную роль в таком «закручивании» играет антисимметричное обменное взаимодействие при помощи немагнитных атомов — взаимодействие Дзялошинского-Мории. В частности, оно приводит к скосу магнитных моментов в антиферромагнетиках и появлению за счет этого слабого ферромагнитного момента (это свойственно для так называемых слабых ферромагнетиков). Его знак обусловливает направление закручивания магнитных моментов, и, чтобы его определить, необходимо знать направление магнитного момента каждого атома.

«В ходе работы мы провели систематическое исследование антисимметричного взаимодействия Дзялошинского-Мории в четырех изоструктурных (с одинаковой структурой) слабых ферромагнетиках, входящие в состав которых магнитные атомы Mn, Fe, Co, Ni располагаются последовательно в таблице Менделеева. Для определения знака взаимодействия применялся новый экспериментальный метод, основанный на дифракции (отклонении от законов геометрической оптики) синхротронного излучения», — рассказывает Елена Овчинникова, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики твердого тела физического факультета МГУ.

Разработанная учёными новая дифракционная техника основана на интерференции (наложении) магнитного и резонансного рассеяния синхротронного излучения в антиферромагнетиках. С ее помощью можно определить точное направление магнитного момента каждого атома в составе вещества и, как следствие, знак взаимодействия Дзялошинского-Мории. Примечательно, что применять эту технику можно даже в случае образцов очень малого размера.

Экспериментальные результаты были подтверждены квантовомеханическими расчетами знака и величины угла «скоса» антиферромагнитных моментов атомов «из первых принципов» (ab initio) — то есть, используя исключительно основные законы физики. Учёными также была предложена простая «игрушечная модель», дающая представление об эволюции величины взаимодействия Дзялошинского-Мории в зависимости от степени заполнения 3d-орбиталей изучаемых соединений.

«В настоящее время взаимодействие Дзялошинского-Мории рассматривается как ключевой элемент в физике мультиферроиков — материалов, обладающих спонтанными магнитными и электрическими свойствами. Результаты нашей работы могут иметь большое значение для развития «спинтроники», — раздела квантовой электроники, в устройствах которой перенос происходит при помощи тока спинов», — заключает Елена Овчинникова.

Работа выполнена совместно с коллегами из Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН и Уральского федерального университета, а также учеными из Великобритании, Швеции, Германии, Франции и Нидерландов.

Материал подготовлен в рамках проекта Наука - МГУ