Физики обнаружили в нитрате кобальта вывернутые закрученные магнитные зонтики
Российские физики предложили модель «вывернутого закрученного зонтика» для описания магнитной подсистемы в безводном нитрате кобальта. По словам ученых, если их предположение подтвердится в дальнейших экспериментах, это будет первый пример подобного экзотического строения магнитной подсистемы, известный науке. Статья опубликована в журнале Physical Review B.
В классических «трехмерных» магнитных материалах при какой-то температуре (чаще всего низкой) наступает трехмерный дальний магнитный порядок. У ферромагнетиков все магнитные моменты становятся направленными в одну сторону, их сумма может быть очень большой, из-за чего они могут притягиваться друг к другу и к металлическим предметам. У антиферромагнетиков магнитные моменты ионов направлены противоположно друг другу, их сумма дает ноль. У ферримагнетиков разные ионы обладают разным магнитным моментом, так, что их сумма в итоге не нулевая (поэтому они, как и ферромагнетики, притягивают металлические предметы вроде железного гвоздя).
Но если размерность магнитной подсистемы понижена до 2D, 1D или 0D (например, магнитные ионы в веществе выстроены в цепочку, плоскость или отдельные кластеры), такое вещество может проявлять необычные магнитные свойства, сильно отличающиеся от «трехмерных» магнитных систем. Следует отметить, что речь идет не о тонких пленках или наночастицах магнетиков, а об объемных кристаллах или порошках. Низкую размерность в этих веществах имеет именно магнитная подсистема — узор из магнитных ионов.
Одни из таких необычных магнитных веществ — спиновые жидкости — были найдены как раз среди соединений с низкоразмерной магнитной подсистемой (подробнее о них можно узнать в одном из материалов нашей квантовой азбуки: «Спиновая жидкость»). Изучая низкоразмерные магнетики, ученые пытаются разобраться, как устроен магнетизм в твердых телах, а также найти вещества, которые могли бы иметь полезные применения (например, новые спиновые жидкости).
Как раз такими задачами занимается группа ученых из МГУ имени М.В. Ломоносова и НИТУ МИСиС под руководством Александра Васильева (Alexander Vasiliev) — в новой работе физики решили изучить, как ведет себя нитрат кобальта при разных магнитных полях и температурах. Ученые заинтересовались этим соединением из-за необычности магнитной подсистемы его «собрата» — нитрата никеля. Магнитные моменты в нитрате никеля образуют «зонтик со спицами и ручкой», где магнитный момент центрального атома направлен в одну сторону («ручка»), а его окружения — почти перпендикулярно ему под углом в 120 градусов друг к другу («спицы»), но немного выходят из плоскости, из-за чего «зонтик» называют «вывернутым».
Несмотря на кажущуюся простоту химической формулы нитратов никеля и кобальта, химикам долгое время не удавалось получить образцы нужного качества из-за их высокой гигроскопичности (на воздухе вещества очень быстро поглощает воду, что меняет как их кристаллическое строение, так и магнитные свойства).
Чтобы получить безводный нитрат кобальта, исследователи нагревали смешанный нитрат нитрозила и кобальта. В кристаллической структуре нового соединения можно выделить две позиции ионов кобальта с соотношением 3:1. Первая образует решетку кагоме из ионов кобальта, еще один кобальт находится внутри ее пустот. Решеткой кагоме из магнитных ионов обладают вещества, которые являются наиболее вероятными кандидатами в спиновые жидкости. Однако ученые обнаружили, что ниже трех кельвин нитрат кобальта становится упорядоченным ферримагнетиком, а значит, к спиновым жидкостям его отнести нельзя.
Чтобы понять, как устроен узор магнитных моментов в нитрате кобальта, ученые провели расчеты с помощью теории функционала плотности, а потом сравнили результаты с экспериментами по измерению магнитных свойств. Магнитным состоянием с минимальной энергией оказалась структура «вывернутого зонтика», в которой магнитные моменты «ручки зонтика» упорядочены ферромагнитно, а «спицы зонта» лежат под углом примерно в 120 градусов между собой и сильно «вывернуты», то есть образуют угол с ручкой больше 90 градусов. При этом магнитные моменты «спиц» расположены хиральным образом, то есть закручиваются по или против часовой стрелки. Такие структуры напоминают магнитные вихри — скирмионы, и тоже представляют интерес как для теоретических работ, так и прикладных исследований.
Нитрат кобальта, по словам исследователей, пока что единственный пример подобной экзотической магнитной структуры в виде хирального вывернутого зонтика. По сравнению с магнитным зонтиком в структуре нитрата никеля, у нитрата кобальта свод зонта более выгнутый, в основном, благодаря ионной анизотропии кобальта. Кроме того, его хиральность не была обнаружена на момент исследования магнетизма в нитрате никеля.
Ученые считают, что если заменить центральный ион кобальта из «ручки зонта», то может получиться хиральная решетка кагоме, которая может оказаться спиновой жидкостью. Количество спиновых жидкостей можно пересчитать по пальцам, одно из них физики обнаружили в смешанном оксиде кальция и хрома, а не так давно состояние спиновой жидкости нашли у октупольного спинового льда из смешанного оксида церия и олова со структурой пирохлора.
Артем Моськин, Екатерина Козлякова
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».