Необычные свойства кристалла

Ученые из МФТИ совместно с коллегами из УрФУ объединили оптический и акустический подходы и обнаружили, что добавление титана в гексаферрит бария позволяет создать особую подструктуру в кристаллической решетке. Новый материал может быть использован для создания сверхбыстрой компьютерной памяти. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Мультиферроики — это материалы, обладающие одновременно несколькими упорядочениями. Например, они могут одновременно быть сегнетоэлектриками (ферроэлектриками) и ферромагнетиками.

Исследователи изучают фундаментальные свойства мультиферроиков, чтобы получать материалы с заданными свойствами или изменять эти свойства направленным образом. Мультиферроики находят применение в технологиях сверхбыстрой магнитной памяти, терагерцовой (с передачей данных за триллионные доли секунды) телекоммуникации или антирадарных покрытиях.

Объединив оптический (терагерцовую спектроскопию) и акустический (исследование поглощения и скорости ультразвука) экспериментальные методы с целью поподробнее «рассмотреть» гексаферрит бария с примесью титана, ученые пронаблюдали интересные особенности в поведении материала.

«Оптика и акустика — как зрение и слух, дополняя и при этом не повторяя друг друга, вместе позволяют получить наиболее полную информацию об исследуемом объекте. И если при исследованиях двумя принципиально различными методиками при одних и тех же температурах наблюдаются некие эффекты, это значит, что что-то происходит в образце на микроскопическом уровне, и надо найти механизм, из-за которого эти эффекты проявляются», — говорит Людмила Алябьева, руководитель направления «Мультиферроики», старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.

Ученые нашли объяснение необычному поведению одновременно оптических и акустических свойств исследуемого материала. Оказалось, что при добавлении титана в гексаферрите бария изменяется характер подрешетки ионов железа. Атомы примеси заставляют часть атомов железа менять свою степень окисления и образовывать подструктуру в основной решетке — так называемую ян-теллеровскую подрешетку.

Когда в основную решетку кристалла добавляют примеси, новые атомы встраиваются в структуру, заменяя кого-то из прежних «жильцов». При добавлении в гексаферрит бария титан становится на место некоторых атомов железа. При этом атом титана и атом железа находятся в разных валентных состояниях: титан четырехвалентный, а железо трехвалентное. Валентность отражается и на электрическом заряде ионов в кристалле, и на их размере.

«Когда маленький четырехвалентный ион титана замещает трехвалентный ион железа, возникает искажение решетки и нарушается электронейтральность. Электронейтральность должна поддерживаться — это фундаментальное правило. Поэтому часть соседей титана — трехвалентных ионов железа — переходят в двухвалентное состояние, чтобы компенсировать возникший заряд»,— добавляет Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ. Изменения в структуре обуславливают необычное поведение оптических и акустических свойств, замеченное исследователями.

«Мы впервые обнаружили новый механизм формирования подрешетки ян-теллеровских центров: ее образуют не атомы примеси, как это обычно происходит, а часть атомов исходного кристалла», — комментирует Владимир Гудков, профессор Уральского федерального университета.

Наличие подрешетки Яна — Теллера ведет к появлению необычных свойств кристалла. Например, возникает возможность воздействовать на магнитные подсистемы с помощью электрического поля (скажем, с помощью Т-лучей перемагничивать биты сверхбыстрой компьютерной памяти).

В исследовании, кроме ученых из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, принимали участие их коллеги из Уральского федерального университета, Южно-Уральского государственного университета, Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф, Института физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН, Штутгартского университета и Техасского университета в Остине.

Лаборатория терагерцовой спектроскопии МФТИ под руководством Бориса Горшунова входит в число признанных мировых лидеров в области субтерагерцовых / терагерцовых исследований физических свойств конденсированных сред. Лаборатория предоставляет возможность мотивированным студентам всех курсов и факультетов принять участие в научно-исследовательской работе.

Работа сделана при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (программа 5–100), Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18–02–00332а и грант 19–53–04010) и Российского научного фонда (грант 19–72–00055).