Ученые Уральского федерального университета при поддержке Российского научного фонда провели исследование, в ходе которого установили, что алюминат меди CuAl₂O₄ обладает необычными магнитными свойствами и структурой в силу существенного спин-орбитального взаимодействия.

Процесс и результаты исследований ученые описали в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.

Известно, что спин-орбитальное взаимодействие (которое возникает за счет 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. Однако оказалось, что в случае c CuAl₂O₄ оно является определяющим. Именно спин-орбитальное взаимодействие не только обусловливает магнитные свойства, но и задает 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, в результате исследований с участием екатеринбургских ученых.

«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 неопределенности и пытаются избежать ситуации, когда электроны имеют возможность занять не строго определенный уровень энергии, а выбирают из того, что имеется. Лишить электроны этой свободы просто — нужно лишь сдвинуть атомы из высокосимметричных положений, исказив тем самым кристаллическую решетку», — 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 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 решетку в CuAl₂O₄, но и оказывает влияние на его магнитные свойства. Теоретические расчеты 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, если 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».