Многие из уникальных свойств материалов с пирохлорной структурой связаны с поведением магнитной подсистемы. Если в вершины тетраэдров поместить атомы, обладающеми спинами — собственными магнитными моментами, — получается такое состояние вещества, в котором одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия: магнитные, электрические и деформационные.
При этом система испытывает геометрическую фрустрацию — по аналогии с психологической фрустрацией: из-за такой особой геометрии «решающий» характер материала не определен. Это дает возможность химически, с помощью добавок, или физически, с помощью внешнего воздействия, температуры или давления, влиять на взаимодействия свойств и получать материал с нужными характеристиками.
«Наша задача была в том, чтобы на наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства веществ с пирохлорной решеткой. Анализ, который мы провели, — строгий и получен без физических упрощений», — подчеркивает Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и основной автор статьи.
Пирохлорная решетка и семейства веществ с такой структурой. Источник: www.sciencedirect.com
Ученые нашли 25 модельных структур. Оказалось, что подавляющее большинство существующих материалов с пирохлорной подрешеткой можно описать найденными структурами. Чтобы прийти к этому выводу, исследователи сравнили результаты своих вычислений с базами данных экспериментально изученных веществ с пирохлорной подрешеткой.
Неожиданным результатом оказалось то, что 24 модельные структуры из 25 обладают скрытыми свойствами, обусловленными магнитной структурой, но напрямую с ней не связанными. Эти структуры образуются не только за счет магнитного упорядочения, но и за счет деформации решетки — такие структуры проявляют сегнетоэластические свойства. В случае жестких неорганических каркасов с пирохлорным типом строения спиновое упорядочение неотделимо от искажений решетки. Это означает, что спины электронов сильно связаны с атомным каркасом. Изменяя состав каркаса, можно рационально воздействовать на электронную подсистему кристалла. Этот результат открывает новые возможности для управления процессами в электронике, химии, химической технологии и, возможно, в биологии.
«Во многих работах при объяснении свойств материала коллеги не учитывают деформацию решетки в своих моделях магнитных взаимодействий. Наше исследование показало, что она есть почти во всех магнитно-упорядоченных структурах и ее необходимо учитывать», — поясняет Михаил Таланов.
