Оказалось, что в оксиде Fe₄O₅ при охлаждении ниже 150 К происходит необычный фазовый переход, приводящий к образованию «четырехмерной» кристаллической структуры.

Международный коллектив исследователей, в состав которого вошли и ученые из Московского государственного университета, исследовал характеристики недавно открытого оксида железа Fe₄O₅. Выяснилось, что при охлаждении ниже температуры 150К происходит необычный фазовый переход, связанный с образованием волн зарядовой плотности и приводящий к образованию «четырехмерной» кристаллической структуры. Статья опубликована в журнале Nature Chemistry.

Было известно, что особенность этого оксида в том, что он может быть получен лишь при очень высоких давлениях и температурах, поэтому на земной поверхности он не образуется, а существует вместе с другими оксидами с еще более высоким содержанием кислорода, как сейчас предполагается, лишь на глубинах во многие сотни километров. Исследуя вещество, ученые обнаружили у оксида фазовый переход, очень похожий на переход Вервея в магнетите. Отличается он тем, что происходит при других температурах, и образующаяся при этом структура имеет намного более сложную конфигурацию.

Необычная структура, образующаяся при охлаждении, представляет собой нечто среднее между классическими волнами зарядовой плотности с образованием димеров (цепочка из пар атомов железа с укороченным межатомным расстоянием) и картиной с тримеронами, наблюдаемой у магнетита. В этой структуре невозможно выделить трехмерную периодичность, и можно описать как периодичную только в пространстве более высокой размерности, в данном случае, «четырехмерном» пространстве. «Четырехмерность» такой структуры, конечно, не говорит о реальном существовании этого оксида в четырех измерениях, это просто технический подход к математическому описанию такой сложной упорядоченности».

Несмотря на сходство в поведении магнетита и Fe₄O₅, зарядово-упорядоченная структура последнего остается центросимметричной и поэтому не может проявлять свойства сегнетоэлектрика. Особый интерес ученых к Fe₃O₄ объясняется также и тем, что магнетит относится к классу так называемых мультиферроиков, то есть материалов, в которых одновременно наблюдается два вида упорядочения — магнитное и электрическое. Если эти упорядочения связаны между собой, то воздействуя магнитным полем на материал, можно менять его электрическую поляризацию, и наоборот — менять его намагниченность, воздействуя электрическим полем.

«В этом случае у нас возникает бифункциональный материал, который интересен не только с точки зрения фундаментальной физики или химии твердого тела, но и с точки зрения практического применения, — сказал один из авторов исследования Артем Абакумов.  — Его можно использовать в качестве датчиков, например, сенсоров магнитного поля. Проблема лишь в том, что, как правило, связь магнитного и электрического порядка очень слаба и проявляет себя при низкой температуре. Сравнительный анализ кристаллической, электронной и магнитной структур Fe₄O₅ и магнетита позволит с большей определенностью изучить связь магнитного и электрического порядка в подобного рода соединениях».