Российские ученые спроектировали новые материалы с необычными свойствами. Перспективность этих исследований подтверждена публикацией в 2023 году в международных научных журналах «Acta Materialia», «Ferroelectrics», «Journal of Magnetism and Magnetic Materials», а также в серии публикаций в российских научных изданиях.
Квантовые технологии определят основные характеристики жизни человека и общества в недалеком будущем. Их формирование и развитие невозможны без квантовых материалов. Совместная работа учёных из Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова, Московского физико-технического института и Южного научного центра РАН направлена на поиск новых квантовых материалов, проявляющих аномальные физические свойства. Такие материалы будут активно использоваться в разработке инновационных технических устройств – к примеру, высокочувствительных датчиков для сканирования головного мозга или новых флешек с форматом четырехбитной записи информации.
В нашем университете теоретические исследования квантовых материалов проводит профессор кафедры «Общая химия и технология силикатов» Валерий Михайлович Таланов. Совместно с докторами физико-математических наук Широковым Владимиром Борисовичем и Талановым Михаилом Валерьевичем, в рамках проекта РНФ, ими разработана теория упорядочения спинов электронов в кристаллах, содержащих пирохлорную подрешетку.
Пирохлорные подрешетки – это атомные конструкции в виде соприкасающихся вершинами тетраэдров (четырехугольных пирамид, каждая из граней которых является равносторонним треугольником). Такая сеть взаимосвязанных вершинами тетраэдров впервые была обнаружена у минерала пирохлора, чем и объясняется её название. Кристаллы, содержащие пирохлорную подрешетку, проявляют аномальные физические и химические свойства, такие как сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, магнитоэлектрический эффект, переходы Мотта, сегнетоэлектричество, мультиферроизм, тяжелое фермионное поведение, повышенную каталитическую активность, эффективные электродные свойства и др. Кроме того, некоторые кристаллы с пирохлорной подрешеткой характеризуются экзотическими электронно-структурными состояниями (примерами таких состояний являются спиновой лед, спиновое стекло, спиновая жидкость, зарядовый лед, орбитальное стекло, орбитальная жидкость и др.).
Структуры, содержащие пирохлорные подрешётки, называются геометрически фрустрированными. Термин «фрустрация» взят из психологии и означает «раздвоенность сознания». Такая «раздвоенность» в поведении спинов электронов существует у веществ с треугольным мотивом структуры. Спины в узлах двух вершин правильного треугольника направлены в противоположные стороны, а в третьем узле спин «мечется», он «не знает» как ему сориентироваться, чтобы система имела минимум энергии. В таком неопределенном возбужденном состоянии он и находится в веществе. А в результате нарушается классический закон науки – третий закон термодинамики – вещество не может упорядочиться даже при температуре ноль градусов Кельвина. И только под влиянием внешних воздействий происходит спиновое упорядочение. Ученые рассчитали возможные структуры и возможные свойства новых материалов. Оказалось, что 90–95% полученных спиновых конструкций может быть описано всего 25 типами. Самое существенное состоит в том, что подобные вещества проявляют уникальные химические и физические свойства. Исследование наших ученых приближает человечество к совершенно новому витку развития в медицине, электронике, информационных технологиях и других сферах. На данный момент стоит вопрос, как на практике воплотить квантовые материалы в реальные технологии.
- Сегодня такие вещества, с аномальными необычными свойствами, – это самое важное, по моему мнению, что есть в науке о материалах, – подчеркнул Валерий Михайлович Таланов. - Если нам сейчас удастся получить вещества со сверхпроводимостью при обычных условиях, а мы уже подобрались почти к комнатным условиям, материальный мир будет устроен на совершенно других принципах, на совершенно других технологиях.
Независимые эксперты дали положительные оценки разработкам ученых, однако отметили, что это только первый шаг на пути к созданию материалов будущего.
Пресс-служба ЮРГПУ(НПИ)
