Получены данные о магнитных свойствах и структуре относительно редкого минерала на основе оксида меди, относящегося к семейству шпинелей (CuAl2O4). Оказалось, что его свойства определяются существенным спин-орбитальным взаимодействием.
Спин-орбитальное взаимодействие (возникает за счёт электромагнитного взаимодействия спина электрона с магнитным моментом, вызванным вращением электрона вокруг ядра) существенно для 4d- и 5d-систем, основу которых составляют элементы пятой и шестой групп в Периодической таблице Менделеева — от иттрия до кадмия и от гафния до ртути соответственно. CuAl2O4 же является 3d-системой, так как медь относится к 3d-элементам (в таблице Менделеева — от скандия до цинка), для которых спин-орбитальное взаимодействие, как правило, не так важно.
Оказалось, что в случае с CuAl2O4 спин-орбитальное взаимодействие — определяющее. Именно оно не только обусловливает магнитные свойства, но и задаёт кристаллическую структуру данного материала.
Дело в том, что кристаллическая структура практически всех известных оксидов меди (включая как высокотемпературные сверхпроводники на основе Cu, так и всем известный медный купорос — CuSO4⋅5H2O) сильно искажена. А вот тетраэдры из атомов кислорода, окружающие ионы меди, в CuAl2O4 остаются идеальными вплоть до самых низких температур.
Этот факт был обнаружен в 2017 году южнокорейскими и американскими исследователями, но объяснить его удалось лишь сейчас.
«Появление искажений в оксидах меди вызвано одним из наиболее фундаментальных физических явлений — эффектом Яна — Теллера. Это, по сути, очень простое явление: физические системы, как и люди, не любят неопределённости и пытаются избежать ситуации, когда электроны имеют возможность занять не строго определённый уровень энергии, а выбирают из того, что имеется. Лишить электроны этой свободы просто — нужно лишь сдвинуть атомы из высокосимметричных положений, исказив тем самым кристаллическую решётку», — поясняет соавтор работы Сергей Стрельцов, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией электронного и ядерного резонанса УрФУ и лабораторией теории низкоразмерных спиновых систем Института физики металлов (ИФМ) Уральского отделения РАН.
Однако в CuAl2O4 такой «фокус» не проходит — мешает спин-орбитальное взаимодействие. Именно оно определяет, по каким орбитам вращаются, и какие энергии имеют электроны.
Интересно отметить, что спин-орбитальное взаимодействие не только сохраняет симметричную решётку в CuAl2O4, но и оказывает влияние на его магнитные свойства. Теоретические расчёты, выполненные Сергеем Николаевым (кафедра теоретической физики и прикладной математики УрФУ) и Андреем Игнатенко (ИФМ УрО РАН) показывают, что спин-орбитальное взаимодействие способствует «закручиванию» спинов. В результате в идеальном образце CuAl2O4 в области предельно низких температур спины не выстраиваются вдоль одного направления, как, например, в обычном железе, а должны образовывать так называемую «спиновую спираль».
«Такую магнитную структуру проще всего описать на примере цепочки, состоящей из спинов, — комментирует Сергей Стрельцов. — Если спины выстроить параллельно, то получим ферромагнетик, антипараллельно, то есть по очереди: вверх-вниз-вверх-вниз и так далее — то антиферромагнетик, а если каждый спин постепенно отклонять на один и тот же угол по отношению к предыдущему, то образуется спиновая спираль. Именно такой тип магнитного упорядочения и ожидается в идеальном образце CuAl2O4».
