Мультиферроики в определенном промежутке температур обладают магнитными и электрическими свойствами. Их можно использовать, например, в элементах памяти и датчиках для беспроводной передачи энергии электронным устройствам. В этих веществах магнитные моменты атомов ориентируются ферромагнитно, то есть параллельно друг другу, или антиферромагнитно, с противоположным направлением моментов в соседних атомах. При определенной температуре упорядочение в веществе меняется, и одна фаза переходит в другую. Если в мультиферроике обнаружить все фазы, будет проще управлять магнитными и электрическими свойствами. Сейчас ведутся поиски веществ, обладающих упорядочением при комнатной температуре. Для того, чтобы найти идеальное вещество, необходимо изучить свойства известных сейчас мультиферроиков.
В новом исследовании ученые провели нейтронографические исследования (основаны на рассеянии нейтронов) купрата меди CuO. Это единственное бинарное соединение, которое обладает высокими для мультиферроиков температурами существования спонтанной поляризации в промежутке между -60 и -43 oC. С понижением температуры ниже -60 oC магнитная структура ионов меди трансформируется в антиферромагнитную, а при температуре выше -43 oC вещество переходит в парамагнитное параэлектрическое состояние, где магнитное упорядочение и электрическая поляризация исчезают. В других (низкотемпературных) мультиферроиках этот последний переход происходит через промежуточную фазу типа волны спиновой плотности, которая находится в температурном промежутке. Однако в CuO многими экспериментаторами и теоретиками до сих пор не было доказано существование промежуточной фазы и характер соответствующих переходов, поскольку используемые для этого традиционные методы нейтронографических исследований не могли уловить небольшие изменения в магнитной структуре этого вещества, ожидаемого в весьма узком интервале температур. Ученые считали, что вещество переходит в парамагнитное состояние только при температуре -43 oC, в так называемой точке Нееля.
«Для выявления неизвестной ранее фазы мы использовали сферическую нейтронную поляриметрию, которая позволяет измерять отношения интенсивности поляризованных нейтронов до и после их рассеяния в веществе, и определять так называемую поляризационную матрицу. По данным исследования, в обнаруженной нами фазе при температуре на один градус выше температуры Нееля, образуются сразу две волны спиновой плотности с перпендикулярными поляризациями, вдоль которых выстраиваются спины. Факт сосуществования двух волн спиновой плотности указывает на тонкий баланс различных магнитных взаимодействий в этом кристалле и позволяет рассматривать точку упорядочения как бикритическую», — отметил руководитель проекта Александр Мухин, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.
Одним из ключевых факторов в проведенном исследовании явилось использование сферической нейтронной поляриметрии, которая помогла обнаружить слабо проявляющиеся изменения магнитной структуры. Результаты исследования позволили полностью определить эволюцию магнитной структуры мультиферроика CuO при изменении температуры и выявить ее специфические особенности, которые важны для поиска новых мультиферроиков, перспективных для разработки более современных функциональных устройств.
