Физики из России вместе с зарубежными коллегами провели анализ свойств мультиферроика CuO и обнаружили у него ранее неизвестную параэлектрическую фазу рядом с температурой магнитного упорядочения, которая проявляет необычные свойства. Это позволит лучше понять физику мультиферроиков — перспективных материалов для создания новых устройств хранения и обработки информации. Работа ученых опубликована в журнале Science Advances.

Мультиферроики — это материалы, которые в определенном промежутке температур обладают магнитными и электрическими свойствами. Их можно использовать для создания памяти или различных датчиков. В таких соединениях магнитные моменты атомов ориентируются параллельно друг другу, как в ферромагнетиках, или антипараллельно, как в антиферромагнетиках. В последнем случае магнитные моменты по всему материалу уравновешиваются и компенсируются. При определенной температуре упорядочение в веществе меняется, при этом происходит переход одной фазы в другую.

При нахождении всех этих фаз у мультиферроика ученые смогут эффективнее и проще управлять его магнитными и электрическими свойствами. На данный момент исследователи ищут вещества, обладающие упорядочением при комнатной температуре. Чтобы сделать это, необходимо проанализировать свойства известных на данный момент мультиферроиков.

В поддержанной грантом Российского научного фонда работе ученые провели нейтронографические исследования оксида меди (II) CuO. Это единственное бинарное соединение, которое имеет достаточно высокие для мультиферроиков температуры существования спонтанной поляризации — между -60 и -43 °C. С понижением температуры ниже -60 °C магнитная структура ионов меди переходит в антиферромагнитное состояние, а при температуре выше диапазона переходит в парамагнитное параэлектрическое состояние. В нем магнитное упорядочение и электрическая поляризация исчезают.

В низкотемпературных мультиферроиках переход в парамагнитное параэлектрическое состояние происходит через промежуточную фазу. Но в CuO такой промежуточной фазы и характера перехода в нее до сих пор найдено не было, так как используемые для этого традиционные методы нейтронографии не могли зафиксировать небольшие изменения магнитной структуры этого вещества, которое должно находиться в очень узком температурном интервале. Исследователи думали, что вещество переходит в парамагнитное состояние только при температуре -43 °C, в так называемой точке Нееля.

«Чтобы выявить неизвестную ранее фазу, мы использовали сферическую нейтронную поляриметрию, которая позволяет находить отношения интенсивности поляризованных нейтронов до и после их рассеяния в веществе, и определять так называемую поляризационную матрицу. Мы выяснили, что в этой фазе при температуре на один градус выше температуры Нееля образуются сразу две волны спиновой плотности с перпендикулярными поляризациями, вдоль которых выстраиваются спины. Так как в веществе существует вместе две волны спиновой плотности, то, согласно теории, существует тонкий баланс различных магнитных взаимодействий в этом кристалле», — объясняет руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН Александр Мухин.

В отличие от предыдущих работ, ученые использовали сферическую нейтронную поляриметрию, которая помогла обнаружить слабо проявляющиеся изменения магнитной структуры. Результаты исследования позволили полностью определить эволюцию магнитной структуры мультиферроика CuO при изменении температуры и выявить ее особенности. Полученные при этом данные помогут найти новые мультиферроики, перспективные для разработки более современных функциональных устройств.