Кристалл на основе железа и селена дважды меняет магнитное состояние при охлаждении
Группа ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова с коллегами вырастила такие кристаллы и подробно изучила их поведение в магнитном поле при разных температурах.
Источник: Татьяна Васильчикова. В фокусе внимания — научный текст: исследователи Лариса Шванская и Ольга Волкова обсуждают детали и перспективы нового манускрипта.
МОСКВА, 24 апреля. /Новости науки/. Ученые обнаружили, что кристаллы соединения на основе железа, селена и кислорода при охлаждении проходят сразу через два разных магнитных перехода: сначала материал становится намагниченным, а затем, при еще более низкой температуре, снова теряет намагниченность, сообщает пресс-служба РНФ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Chemistry of Materials.
Такой эффект особенно интересен для спинтроники — области, где информацию пытаются хранить и передавать не с помощью электрического заряда, как в обычной электронике, а с помощью магнитных моментов электронов. Считается, что именно такие материалы могут лечь в основу новых устройств памяти с меньшими потерями энергии.
Исследователи работали с антиперовскитом — кристаллом на основе железа, селена и кислорода. Ранее уже было известно, что в этом веществе при охлаждении происходят магнитные изменения примерно при -169°C и -195°C. Но до сих пор было непонятно, как именно устроены эти переходы и что в этот момент происходит внутри кристалла.
Группа ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова с коллегами вырастила такие кристаллы и подробно изучила их поведение в магнитном поле при разных температурах.
Оказалось, что структура вещества сама по себе очень необычна. Ионы железа в нем образуют плоские слои, состоящие из колец с 4, 6 и 14 звеньями. Эти слои расположены под углом к осям кристалла и соединены дополнительными ионами железа. Именно такая сложная геометрия создает внутри материала магнитную неоднородность.
Когда образцы охлаждали до -169°C, кристалл переходил в ферримагнитное состояние. Это значит, что магнитные моменты атомов выстраиваются в противоположных направлениях, но полностью друг друга не компенсируют. Поэтому материал в целом начинает давать магнитный отклик.
При дальнейшем охлаждении до -195°C происходил второй переход. Материал становился антиферромагнетиком: магнитные моменты по-прежнему оставались направленными в разные стороны, но теперь уже полностью уравновешивали друг друга. В результате кристалл терял намагниченность.
«При температуре -169°C внутри каждой ячейки кристалла идет “борьба” магнитных моментов: 10 из них направлены в одну сторону, а 8 — в другую. Эта разница и создает магнитный отклик. Но стоит опустить температуру ниже -195°C, как соседние ячейки располагают свои нескомпенсированные моменты противоположно и полностью уравновешивают друг друга, делая кристалл не намагниченным», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольги Волковой, профессора кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ.
По словам исследователей, подобные материалы особенно востребованы в спинтронике, поскольку позволяют очень тонко управлять магнитным состоянием вещества. Это важно для создания новых элементов памяти, где переключение между состояниями должно происходить точно и с минимальными энергопотерями.
Пока у найденного соединения есть серьезное ограничение: его магнитные переходы происходят при очень низких температурах, что делает прямое практическое использование затруднительным. Однако ученые считают его важной модельной системой, которая помогает понять, как можно конструировать более перспективные материалы.
«Материалы, в которых происходят подобные переходы, востребованы в спинтронике — технологии записи информации с помощью магнитных моментов электронов. Исследованное соединение, несмотря на свой потенциал, пока имеет очень низкие температуры переключения магнитных состояний, что ограничивает его применение в технологиях. Однако этот материал является ключевым для развития нового поколения элементов магнитной записи с минимальными энергопотерями», — приводятся в сообщении слова Волковой.
Авторы полагают, что если включить в такую структуру металлы с большей магнитной неоднородностью, то температуры переходов можно будет существенно повысить. А это уже откроет путь к более практическим применениям.
В исследовании также участвовали специалисты Института экспериментальной минералогии имени Д. С. Коржинского РАН, Института ядерных исследований РАН, Университета штата Северная Каролина и Университета Кёнхи.
Такой эффект особенно интересен для спинтроники — области, где информацию пытаются хранить и передавать не с помощью электрического заряда, как в обычной электронике, а с помощью магнитных моментов электронов. Считается, что именно такие материалы могут лечь в основу новых устройств памяти с меньшими потерями энергии.
Исследователи работали с антиперовскитом — кристаллом на основе железа, селена и кислорода. Ранее уже было известно, что в этом веществе при охлаждении происходят магнитные изменения примерно при -169°C и -195°C. Но до сих пор было непонятно, как именно устроены эти переходы и что в этот момент происходит внутри кристалла.
Группа ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова с коллегами вырастила такие кристаллы и подробно изучила их поведение в магнитном поле при разных температурах.
Оказалось, что структура вещества сама по себе очень необычна. Ионы железа в нем образуют плоские слои, состоящие из колец с 4, 6 и 14 звеньями. Эти слои расположены под углом к осям кристалла и соединены дополнительными ионами железа. Именно такая сложная геометрия создает внутри материала магнитную неоднородность.
Когда образцы охлаждали до -169°C, кристалл переходил в ферримагнитное состояние. Это значит, что магнитные моменты атомов выстраиваются в противоположных направлениях, но полностью друг друга не компенсируют. Поэтому материал в целом начинает давать магнитный отклик.
При дальнейшем охлаждении до -195°C происходил второй переход. Материал становился антиферромагнетиком: магнитные моменты по-прежнему оставались направленными в разные стороны, но теперь уже полностью уравновешивали друг друга. В результате кристалл терял намагниченность.
«При температуре -169°C внутри каждой ячейки кристалла идет “борьба” магнитных моментов: 10 из них направлены в одну сторону, а 8 — в другую. Эта разница и создает магнитный отклик. Но стоит опустить температуру ниже -195°C, как соседние ячейки располагают свои нескомпенсированные моменты противоположно и полностью уравновешивают друг друга, делая кристалл не намагниченным», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольги Волковой, профессора кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ.
По словам исследователей, подобные материалы особенно востребованы в спинтронике, поскольку позволяют очень тонко управлять магнитным состоянием вещества. Это важно для создания новых элементов памяти, где переключение между состояниями должно происходить точно и с минимальными энергопотерями.
Пока у найденного соединения есть серьезное ограничение: его магнитные переходы происходят при очень низких температурах, что делает прямое практическое использование затруднительным. Однако ученые считают его важной модельной системой, которая помогает понять, как можно конструировать более перспективные материалы.
«Материалы, в которых происходят подобные переходы, востребованы в спинтронике — технологии записи информации с помощью магнитных моментов электронов. Исследованное соединение, несмотря на свой потенциал, пока имеет очень низкие температуры переключения магнитных состояний, что ограничивает его применение в технологиях. Однако этот материал является ключевым для развития нового поколения элементов магнитной записи с минимальными энергопотерями», — приводятся в сообщении слова Волковой.
Авторы полагают, что если включить в такую структуру металлы с большей магнитной неоднородностью, то температуры переходов можно будет существенно повысить. А это уже откроет путь к более практическим применениям.
В исследовании также участвовали специалисты Института экспериментальной минералогии имени Д. С. Коржинского РАН, Института ядерных исследований РАН, Университета штата Северная Каролина и Университета Кёнхи.
