Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики обнаружили в нитрате кобальта вывернутые закрученные магнитные зонтики

I. L. Danilovich et al. / Physical Review B, 2020

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.