Ученые Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований в сотрудничестве с научными центрами Вьетнама провели исследования необычных типов функциональных материалов, которые относятся к так называемым геометрически фрустрированным магнитным материалам. Эти материалы проявляют не только новые магнитные состояния с необычными физическими свойствами, но также в них при изменении температуры и давления можно наблюдать и новые физические явления, например, появление состояния спиновой жидкости.

Изучение свойств этих материалов важно не только для развития современных представлений в области физики конденсированного состояния, но также и для разработки передового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации.

Ученые Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований в сотрудничестве с научными центрами Вьетнама провели исследования необычных типов функциональных материалов, которые относятся к так называемым геометрически фрустрированным магнитным материалам. Эти материалы проявляют не только новые магнитные состояния с необычными физическими свойствами, но также в них при изменении температуры и давления можно наблюдать и новые физические явления, например, появление состояния спиновой жидкости. Изучение свойств этих материалов важно не только для развития современных представлений в области физики конденсированного состояния, но также и для разработки передового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации.

Рис. 1. a) Нейтронные дифракционные спектры CrBr₃, измеренные при различных температурах, и профили, рассчитанные по методу Ритвельда. b) Ромбоэдрическая кристаллическая структура CrBr₃ симметрии R ̅3. Справа показан вид ван-дер-ваальсовских атомных слоев сверху и сбоку. с) Температурные зависимости параметров и объема элементарной ячейки кристаллической решетки CrBr₃, отнормированные на соответствующие значения при комнатной температуре. d) Температурные зависимости расстояний между магнитными ионами Cr внутри ван-дер-ваальсовских слоев (intra-layer) и между слоями (inter-layer)

На прошедшем конкурсе научных работ ОИЯИ за 2021 г. цикл «Новые структурные, магнитные состояния и физические явления в геометрически фрустрированных функциональных магнитных материалах при изменении термодинамических параметров» был удостоен второй Премии ОИЯИ в категории за научно-исследовательские экспериментальные работы. Авторы цикла: Д.П. Козленко, Н.О. Голосова, С.Е. Кичанов, Е.В. Лукин, А.В. Руткаускас, Б.Н. Савенко, О.Н. Лис, Н.М. Белозерова (ЛНФ ОИЯИ), Данг Нгоак Туан (Университет Дуй Тан, Вьетнам), Ле Хонг Кхьем (Институт физики ВАНТ, Вьетнам).

Функциональные материалы с геометрически фрустрированными магнитными решетками являются одними из наиболее актуальных объектов исследования в современной физике конденсированного состояния, материаловедения, химии. Это связано с тем, что существование нескольких энергетически эквивалентных спиновых конфигураций на геометрически фрустрированных решетках приводит к формированию новых магнитных состояний с необычными физическими свойствами и новых физических явлений, среди которых – состояния спиновой жидкости, спинового стекла и спинового льда, квантовые критические явления, сверхпроводимость, скирмионные состояния, новые типы коллективных магнитных и решеточных возбуждений, фазовых переходов, магнитоэлектрические явления и др.

С целью систематического исследования особенностей формирования магнитных и спиновых состояний были проведены исследования нескольких перспективных классов функциональных магнитных материалов CrBr₃, FePS₃, BaYFeO₄, Ca₃Co₂O₆, Ca₃Co_2-xFe_xO₆, Co₃O₄ с геометрически фрустрированными магнитными решетками в широком диапазоне термодинамических параметров (температуры 5 – 300 К и давления 0 – 10 ГПа) методом нейтронной дифракции и комплементарными экспериментальными методами, включающими рентгеновскую дифракцию, исследования макроскопических магнитных свойств, Мессбауэровскую и Рамановскую спектроскопию.