Сотрудник Уральского федерального университета создал теорию, которая поможет управлять свойствами соединений со сложным магнитным порядком с помощью электрической поляризации — смещения электрических зарядов в направлении приложенного электрического поля. Исследования в дальнейшем позволят разрабатывать электронику нового поколения, которая может функционировать при помощи как электрического, так и магнитного полей. Работа была опубликована в журнале Physical Review B.

Магнитный порядок в соединении наблюдается в том случае, если векторы магнитных моментов преимущественно направлены вдоль определенных осей. При ферромагнитном порядке все векторы направлены в одну сторону, а при антиферромагнитом половина векторов направлена в обратную сторону. Неколлинеарные магнитные порядки возникают в результате деформации — дополнительного поворота магнитных моментов относительно друг друга, в результате которого углы между соседними магнитными моментами могут иметь произвольные значения, а не только 0° и 180°.

Структуры ферромагнетиков. Игорь Соловьев

В ходе работы ученый исследовал вещества с неколлинеарным магнитным порядком. Такой порядок может приводить к появлению электрической поляризации — смещения электрических зарядов в направлении приложенного электрического поля. Электрическая поляризация возникает, если неколлинеарный магнитный порядок сам по себе может привести к нарушению симметрии относительно пространственной инверсии — операции, которая переводит точку пространства с координатами (x,y,z) в точку (-x,–y,–z) относительно заданного центра.

Поведение электрической поляризации можно контролировать, прикладывая электрическое поле. Контроль электрической поляризации позволит, например, осуществлять запись информации на носитель с помощью электрического поля, а не путем перемагничивания отдельных участков этого носителя, как это практикуется в данный момент.

Мультиферроики — это материалы, в которых неколлинеарные магнитные структуры приводят к возникновению электрической поляризации. Это явление происходит спонтанно, без участия внешнего магнитного поля. Мультиферроики — крайне перспективные материалы в связи с возможностью их использования в электронике нового поколения (датчики, спиновые клапаны, элементы памяти), которые могут функционировать при помощи как электрического, так и магнитного полей. К перспективным соединениям относятся TbMnO₃, MnWO₄, YMnO₃, BiMnO₃. Эти вещества — сложные оксиды переходных металлов. Сложными они называются потому, что, помимо переходного металла, содержат в своем составе другие химические элементы, которые также влияют на их свойства.

Работа сочетает в себе моделирование и расчеты электронной структуры твердых тел из первых принципов. Это позволяет прогнозировать свойства реальных соединений. Электронная структура вещества получается на основе решения общих квантово-механических уравнений Шредингера. А если известна электронная структура вещества, то можно теоретически получить все свойства рассматриваемого соединения.

«Точное решение уравнений Шредингера не представляется возможным, поэтому использовались первопринципные методы — они позволяют теоретически получить электронную структуру, пользуясь лишь минимальной информацией об исследуемом соединении», — рассказал автор статьи Игорь Соловьев, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Уральского федерального университета и сотрудник Национального института материаловедения (NIMS) (г. Цукуба, Япония).

На основе первопринципных расчетов строилась эффективная модель, описывающая магнитные свойства реально существующих оксидов переходных металлов. Затем для этой модели было получено наглядное аналитическое выражение, описывающее поведение электрической поляризации в соединениях со сложной магнитной структурой.

«Полученное выражение было успешно использовано для объяснения магнитоэлектрического эффекта, поведения электрической поляризации в мультиферроиках со сложной магнитной структурой, а также теоретического предсказания ряда новых мультиферроиков», — прокомментировал Игорь Соловьев.

Предложенная теория может служить микроскопической основой для интерпретации свойств мультиферроиков, а также предсказания новых перспективных мультиферроиков.