Пресс-центр

Исследование низкоразмерных фрустрированных магнетиков методами нейтронного и синхротронного излучения

Один из двух полученных НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ в 2018 году грантов Российского Научного Фонда (РНФ) выиграли сотрудники лаборатории исследования материалов Отделения нейтронных исследований. Грант получен на реализацию инициативного проекта «Исследование низкоразмерных фрустрированных магнетиков методами нейтронного и синхротронного излучения».

Низкоразмерный магнетизм является относительно новым, одним из наиболее интересных и активно развивающихся последние годы направлений современной физики конденсированного состояния и науки о материалах, 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. Наиболее сложен, но при этом и наиболее интересен случай двухмерии, когда существенно возрастает влияние анизотропии и фрустраций в магнитных взаимодействиях, что очень усложняет механизмы достижения основного квантового состояния и увеличивает многообразие спиновых структур и новых магнитных явлений. Данный проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы: экспериментальное установление основных квантовых состояний в низкоразмерных магнетиках с помощью нейтронного и синхротронного излучений.

Планируется изучение нового необычного магнетизма: фрустрированного, с экзотическими магнитными структурами, такими как сложные спирали с компонентами геликоида и циклоиды, низкоразмерные (двухмерные, квазидвухмерные и цепочечные) структуры и т.п. на новых, синтезированных в последнее время, или еще только запланированных к синтезу магнитных материалах, с перспективами использования в микроэлектронике, спинтронике и возобновляемой энергетике. Будут проведены исследования микроскопической природы новых магнитных явлений и выполнено ее детальное описание. Под изучением микроскопической природы магнетизма здесь понимаются исследования с применением упругого и неупругого рассеяния нейтронов и синхротронного излучения для получения информации о спиновых упорядочениях, их эволюции под различного типа воздействиями, описание на этой основе всей совокупности магнитных взаимодействий, и построение магнитных фазовых диаграмм. Итоговым результатом станет осмысление деталей этих диаграмм путем сопоставления всего экспериментального материала, полученного на исследуемых нами соединениях или родственных им, в рамках имеющихся в настоящее время или разрабатываемых теоретических моделей.

Более конкретная задача проекта – исследование микроскопической природы нетривиального магнетизма на сложных слоистых оксидах с пониженной или смешанной валентностью «магнитных» катионов, в которых ионы переходных металлов формируют в пределах каждого слоя треугольную или гексагональную (сотообразную) кристаллографическую сетку.

Задача проведения дифракционных исследований (нейтронных, рентгеновских и синхротронных) для определения кристаллических структур и спиновых конфигураций в магнитных материалах является важным и крайне актуальным направлением исследований в рамках указанной проблемы. Без точного знания типов спиновых упорядочений невозможно до конца правильно проанализировать все механизмы магнитных взаимодействий и соответственно объяснить полученные магнитные свойства и прогнозировать их направленное изменение.

Новизна поставленной задачи, в первую очередь, заключается в выборе объектов исследования. Этот выбор связан, с тем, что именно такие соединения чаще всего проявляют новые интересные физические свойства: высокотемпературную сверхпроводимость, мультиферроизм, колоссальное магнитное сопротивление, гигантский магнитокалориметрический эффект; новые магнитные явления: возвратные фазовые переходы, плато намагниченности в процессе намагничивания, локализованные магноны в непосредственной близости от поля насыщения, вызванную магнитным полем спин-пайерлсовскую нестабильность; и новые основные состояния типа спинового льда или состояние квантовой спиновой жидкости. В выбранных для исследования семействах материалов часто формируются новые экзотические магнитные структуры, такие например, как сложные спирали. Кроме всего прочего, такие соединения могут рассматриваться как модельные эталонные материалы для понимания природы низкоразмерного фрустрированного магнетизма. Более того, они рассматриваются как перспективные и уже используемые материалы для электрохимических устройств, но исследование в них ионной и других типов проводимости выходит за рамки данного проекта.

Особенностью коллектива, выигравшего грант, является его молодость. Из 8-ми основных участников, шестеро – это аспиранты и студенты. Руководителем проекта является д.ф.-м.н. А.И. Курбаков, основными исполнителями – аспиранты совместной кафедры НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – СПбГУ, кафедры ядерно-физических методов исследования, Артем Коршунов и Мария Кучугура. Как отметил один из рецензентов, «руководитель проекта, участники проекта, значительная часть которых – научная молодежь, представляют собой сбалансированный коллектив, который по уровню образования, квалификации, профессиональной подготовки и опыту практической работы вполне адекватен задачам и методам исследования, предложенным в проекте». А другой рецензент отметил, что «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 о проекте – 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».

Рисунки взяты из статьи А.I. Kurbakov, A.N. Korshunov, S.Y. Podchezertsev, A.L. Malyshev, M.A. Evstigneeva, F. Damay, J. Park, C. Koo, R. Klingeler, E.A. Zvereva, and V.B. Nalbandyan. Zigzag spin structure in layered honeycomb Li₃Ni₂SbO₆: A combined diffraction and antiferromagnetic resonance study. Physical Review B, 96 (2017), 24417.