Исследователи из МФТИ, ЮНЦ РАН и ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова нашли 25 обобщенных структур магнитных кристаллов, которым «психотерапия для материалов» — химические или физические воздействия — может помочь победить фрустрацию («неопределенность» свойств из-за конкуренции и сосуществования разных внутренних взаимодействий) и стать материалами с выраженными и полезными характеристиками. Благодаря строгому и обобщенному результату можно будет эффективнее создавать материалы с заданными свойствами для разных приложений: от энергонезависимой и быстрой памяти до магнитной сенсорики.

Исследование опубликовано в журнале Acta Materialia.

Особое место среди квантовых материалов — материалов с особыми свойствами из-за квантовых эффектов — занимают сложные соединения, в структурах которых имеется пирохлорная подрешетка. Это такая структура, в которой металлические атомы занимают позиции в вершинах тетраэдров. Они, соединяясь вершинами, образуют сеть тетраэдров.

Кристаллы, содержащие пирохлорную подрешетку, проявляют аномальные физические и химические свойства, такие как сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, магнитоэлектрический эффект, повышенная каталитическая активность, эффективные электродные свойства и прочие. Также эти кристаллы обладают разнообразными технологически значимыми свойствами: радиационно-защитными, фотокаталитическими, диэлектрическими, термобарьерными и многими другими.

Многие из уникальных свойств материалов с пирохлорной структурой связаны с поведением магнитной подсистемы. Если в вершины тетраэдров поместить атомы, обладающие спинами — собственными магнитными моментами, — получается такое состояние вещества, в котором одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия: магнитные, электрические и деформационные.

При этом система испытывает геометрическую фрустрацию — по аналогии с психологической фрустрацией: из-за такой особой геометрии «решающий» характер материала не определен. Это дает возможность химически, с помощью добавок, или физически, с помощью внешнего воздействия, температуры или давления, влиять на взаимодействия свойств и получать материал с нужными характеристиками.

«Наша задача была в том, чтобы на наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства веществ с пирохлорной решеткой. Анализ, который мы провели, — строгий и получен без физических упрощений», — подчеркивает Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и основной автор статьи.

Подход ученых был основан на инструментах теории симметрии: магнитной кристаллографии, теории Ландау и теоретико-групповом анализе.