Группа ученых Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и ряда вузов Японии (The Open University of Japan, The University of Tokyo, Osaka Prefecture University, Tokyo Institute of Technology, Institute of Molecular Science) получила гранты Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Японского общества продвижения науки на исследование новых магнитных материалов по проекту «Коррелированная динамика упругих, магнитных и оптических степеней свободы в хиральных средах».
Физики и химики попытаются понять, как функционируют соединения, обладающие решеточной и магнитной хиральностью, что позволят создавать новые материалы для электронных компонентов и вывести развитие электроники на новый уровень. На носителях из таких материалов можно будет записывать больше информации, при работе они будут меньше нагреваться, а значит, больше энергии тратить на производительность.
Исследование ученые проводят на синтезированном в Японии соединении «хром-ниобий-сера» (CrNb3S6). В нем присутствует как структурная, так и магнитная хиральность, которая встречается крайне редко в подобных объектах (интеркалированные материалы). Наличие структурной и магнитной хиральности означает, что часть атомов соединения упорядочена спирально вокруг какой-либо кристаллографической оси, а магнитные моменты, локализованные на этих атомах, формируют свой геликоидальный порядок. Эта закрутка придает материалам новые свойства.
За все время исследований — с конца 1950-х до настоящего времени — ученые во всем мире нашли только около десятка таких соединений, хотя усилия потрачены огромные. Сегодня синтезировать высококачественные монокристаллы CrNb3S6 по большому счету могут только в двух лабораториях — в Японии и в США.
«Впервые соединение CrNb3S6 было получено японскими учеными в 1983 году. Однако надежных данных, что в нем реализуется геликоидальное упорядочение, не было, — говорит руководитель проекта с российской стороны, профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Александр Овчинников. — Прорыв произошел в 2012 году, когда удалось провести эксперименты, которые однозначно показали: в таких системах возникает хиральный геликоидальный порядок».
С соединением CrNb3S6 физики проводят исследование по двум направлениям.
«Первое — изучаем функциональные физические свойства. К примеру, смотрим, как пленка реагирует на импульсное воздействие малых магнитных полей. Так, на одном из последних экспериментов увидели, что в соединении формируются „стоячие волны“. Это означает, что пленку можно использовать как резонатор, — поясняет Александр Овчинников. — Второе — хотим понять, почему в соединении возникает данный магнитный порядок, какие факторы складываются в пользу этого упорядочения».
На сегодня физики научились управлять степенью закрутки магнитных моментов и их направлением, однако, как взаимодействует вся система целиком, например, решетка со спиновой подсистемой, никто систематически не изучал. Если исследователям удастся ответить на поставленные вопросы, они смогут дать необходимую информацию для химиков-материаловедов, которые впоследствии синтезируют новые соединения этого класса и получат материалы с новыми свойствами.
«Многие материалы и устройства спинтроники сегодня имеются лишь на уровне лабораторных разработок. Однако в промышленных масштабах воссоздать условия, которые бы позволили широко распространять эту технологию, пока не удается», — поясняет Овчинников.
Над этим проектом физики УрФУ и их японские коллеги работают с 2006 года. В научную группу также входят ученые из Великобритании. В апреле 2020 года запланирована встреча всей группы в лондонском Институте физики, где исследователи представят последние результаты.
Одни из последних результатов научной группы представлены в журнале Physical Review B.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных студенческих игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
- УрФУ яркий — в Instagram
