Sjældent kobberoxid udviser usædvanlige magnetiske egenskaber og spin-orbit-interaktioner

Forskerne ved Ural Federal University gennemførte en undersøgelse, hvor de fandt ud af, at et af kobberoxiderne med en struktur af et sjældent mineral spinel - CuAl ₂ O ₄ -er et materiale med usædvanlige magnetiske egenskaber og struktur på grund af betydelige spin-orbit-interaktioner.

Forskerne beskrev processen og resultaterne af forskningen i artiklen, der blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B , verdens største specialiserede tidsskrift om solid state fysik.

Spin-kredsløb-interaktion skyldes elektronspins elektromagnetiske interaktion med det magnetiske momentum forårsaget af elektron, der drejer rundt om en kerne. Fænomenet er vigtigt for 4d og 5d ​​systemer, som er baseret på elementerne i den femte og sjette gruppe i Mendelejevs periodiske system - fra yttrium til cadmium og fra hafnium til kviksølv, henholdsvis. CuAl ₂ O ₄ er et 3d -system, fordi kobber tilhører 3d-elementer (fra scandium til zink i det periodiske system), for hvilke spin-orbit-interaktion normalt ikke er så afgørende. Imidlertid, det viser sig, at i tilfælde af c CuAl ₂ O ₄ , det er afgørende. Spin-kredsløb-interaktionen medfører ikke kun de magnetiske egenskaber, men bestemmer også materialets krystalstruktur.

Pointen er, at krystalstrukturen for næsten alle kendte kobberoxider (herunder både høj-temperatur Cu-baserede superledere og det velkendte kobbersulfat-CuSO ₄ • 5H ₂ O) - er betydeligt forvrænget. Imidlertid, tetraedra af oxygenatomer, der omgiver kobberioner i CuAl ₂ O ₄ forbliver ideelle ned til de laveste temperaturer. Denne kendsgerning blev opdaget i 2017 af sydkoreanske og amerikanske forskere, men det blev først muligt for nylig at forklare det, som et resultat af forskningen med deltagelse af forskere i Ekaterinburg.

"Forvridningerne i kobberoxider er forårsaget af et af de mest fundamentale fysiske fænomener, Jahn-Teller-effekten. Dette er, faktisk, et meget simpelt fænomen. Fysiske systemer, ligesom mennesker, kan ikke lide usikkerhed og forsøge at undgå situationer, hvor elektroner ikke er i stand til at optage et strengt bestemt energiniveau, men skal vælge mellem hvad der er tilgængeligt. Det er let at fratage elektroner denne frihed - du behøver kun at flytte atomer fra meget symmetriske positioner, derved forvrænger krystalgitteret, "medforfatter prof. Sergei Streltsov, Dr. Sci. i fysik og matematik, leder af UrFU Laboratory of Electronic and Nuclear Resonance og Institute of Metal Physics i Ural Branch of the Russian Academy of Sciences '(IMP UB RAS) Laboratory of Low-Dimensionale Spin Systems Theory, forklarer.

Imidlertid, det fungerer ikke sådan i CuAl ₂ O ₄ :interaktion mellem spin-kredsløb forstyrrer. Det bestemmer, i hvilke kredsløb elektroner drejer, og hvilke energier de har.

Interessant nok, spin-orbit-interaktionen bevarer ikke kun det symmetriske gitter i CuAl ₂ O ₄ , men påvirker også dets magnetiske egenskaber. Teoretiske beregninger udført af Sergei Nikolaev (UrFU Akademisk Institut for Teoretisk Fysik og Anvendt Matematik) og Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) viser, at spin-orbit-interaktion får spin til at vride. Som resultat, i en ideel CuAl ₂ O ₄ prøve, i ekstremt lave temperaturer, spinnene står ikke i kø i en retning, som, for eksempel, i almindeligt jern, men skal danne en såkaldt "spin-spiral".

"Den nemmeste måde at beskrive en sådan magnetisk struktur på er ved et eksempel på en kæde bestående af spins, "Siger Sergei Streltsov." Hvis spinnene er justeret parallelt, så får vi en ferromagnet, i antiparallel (det vil sige skiftevis mellem op og ned), en antiferromagnet. Og hvis hvert spin gradvist afbøjes i samme vinkel i forhold til det foregående, så får vi spin -spiral. Det er denne type magnetisk bestilling, der forventes i en perfekt prøve af CuAl ₂ O ₄ . "