Российские ученые в составе международного коллектива исследовали связь структуры керамических материалов на основе феррита висмута (BiFeO₃) с их магнитными свойствами. В своей работе ученые теоретически обосновали полученные результаты и определили факторы, влияющие на изменение магнитного поведения. Работа позволит создавать новые керамические материалы с заданными свойствами. Статья исследователей опубликована в Journal of Physics and Chemistry of Solids.

Феррит висмута представляет собой минерал со структурой перовскита (минерал на основе кальция и титана), содержащий также атомы кислорода. Такой же структурой обладают широко известные высокотемпературные сверхпроводники — материалы, способные при определенной температуре проводить электрический ток без сопротивления. Многие материалы, обладающие кристаллической решеткой перовскита, нашли свое применение в качестве преобразователей солнечной энергии.

Добавление в исходный феррит висмута ионов различных элементов приводит к изменению кристаллической решетки, а следовательно, и физических свойств всего материала. Физики БФУ внедряли ионы металлов: кальция, марганца, титана и ниобия — и измеряли магнитные характеристики материала. Выяснилось, что независимо от типа переходных элементов внедрение других атомов приводит к сжатию кристаллической решетки. Это, в свою очередь, сопровождается изменением магнитной структуры материала. Он теряет спонтанную поляризацию, то есть дипольные моменты атомов, которые определяют направления воздействия электрических сил, перестают строго ориентироваться в отсутствие внешнего электрического поля. При добавлении атомов других металлов феррит висмута также теряет свои антиферромагнитные свойства: дипольные моменты атомов перестают быть направленными друг против друга. Более того, при совместном добавлении кальция с титаном и кальция с ниобием магнитная структура материала меняется на ферромагнитную: дипольные моменты становятся сонаправленными. У этих образцов после прекращения воздействия магнитного поля наблюдалась остаточная намагниченность — свойство, характерное для ферромагнетиков.

«Мы показали, что магнитные свойства материалов на основе феррита висмута во многом определяются структурными искажениями, вызванными замещением, дефектами решетки и характером обменного взаимодействия между атомами железа, кислорода и переходного металла. Слабые ферромагнитные состояния, которые появились в соединении при совместном добавлении кальция с титаном и кальция с ниобием, обусловлены взаимодействием между магнитными атомами, происходящим через немагнитные. Оно обычно не принимается в расчет ввиду своей небольшой величины, но в случае антиферромагнетиков оно может давать существенные изменения в магнитном поведении материала», — говорит один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Функциональные наноматериалы» Вадим Сиколенко.