В поисках связей между атомной и магнитной симметрией

Физиками МГУ совместно с другими российскими и зарубежными учеными разработан метод определения знака локальной закрутки магнитной структуры материала на атомном уровне, что открывает новые возможности для изучения магнетиков, мультиферроиков и материалов спинтроники.

Магнетизм — спонтанное выстраивание магнитных моментов в материале — обусловлен главным образом квантовомеханическими «обменными» взаимодействиями. Межатомные взаимодействия могут быть и косвенными, через возмущение окружающей среды. Например, антисимметричное суперобменное взаимодействие через промежуточные немагнитные атомы — взаимодействие Дзялошинского-Мории (ДМ) (Dzyaloshinsky, Sov. Phys. JETP 5, 1259 (1957); J. Phys. Chem. Solids 4, 241 (1958) ; T. Moriya, Phys. Rev. Lett. 4, 228 (1960); Phys. Rev. 120, 91 (1960)) — приводит к появлению слабого ферромагнетизма в одних кристаллах и к магнитным спиралям в других. В настоящее время взаимодействие ДМ рассматривается как ключевой элемент в физике мультиферроиков. «Этим веществам, обладающим магнитоэлектрическим эффектом, в последнее время уделяется много внимания», — говорит доцент кафедры твердого тела физического факультета МГУ Елена Овчинникова.

Овчинниковой с коллегами из Института кристаллографии РАН и другими российскими и зарубежными учеными разработан новый экспериментальный метод по изучению взаимодействия ДМ. Он основан на интерференции магнитного и резонансного рассеяния рентгеновских лучей, дополненной вращением антиферромагнитных моментов внешним магнитным полем. В статье, опубликованной в Nature Physics (Nature Physics 10(3), 202-206 (2014)), приведены первые результаты, полученные данным методом, по определению фазы магнитного рассеяния рентгеновских лучей и, как следствие, знака ДМ взаимодействия в кристалле FeBO₃. FeBO₃ является антиферромагнетиком, в котором магнитные подрешетки почти антипараллельны, но слабое «закручивание» локального окружения атомов железа за счет смещения атомов кислорода, приводит к появлению слабого ферромагнитного момента. Является ли соответствующее локальное «закручивание» магнитных моментов «правым» или «левым», зависит от знака взаимодействия ДМ. Этот знак для FeBO₃ определен в статье из экспериментальных данных и подтвержден расчетами из первых принципов. Эксперимент был выполнен на станции XMaS синхротрона ESRF (Гренобль, Франция). «Российские ученые поставили задачу (Dmitrienko et al. Письма в ЖЭТФ, Т. 92, 424-428 (2010)), участвовали в самом эксперименте и интерпретировали его результаты», — комментирует Овчинникова. — «Теперь есть метод, позволяющий определить направления локального закручивания магнитной структуры мультиферроика, и решить, как это связано с локальным закручиванием кристаллической структуры, которое может быть различным в разных частях элементарной ячейки». Важно отметить, что в данном исследовании слово «локальный» означает фактически соседние атомы. То есть метод настолько чувствителен, что позволяет анализировать знак магнитной закрутки на дистанциях меньших одного нанометра.

Из анализа экспериментальных данных ученые установили, что в FeBO₃ направления «закручивания» магнитных моментов и «закручивания», обусловленного смещением атомов кислорода в слоях, совпадают. Экспериментальные результаты подтверждаются расчетами ab initio, позволяющими вычислять знак взаимодействия ДМ и фазу магнитного рассеяния РИ.

Предлагаемые экспериментальный и теоретический методы дают новые возможности для изучения и предсказания магнитоэлектрического эффекта в мультиферроиках. По сути, новый метод позволяет определить направление закручивания магнитных моментов. Согласно опубликованному в Nature Physics комментарию профессора Чон Дер Ху, специалиста из Национального университета Тайваня, эти результаты могут иметь большое влияние на развитие спинтроники, поскольку «теперь показано, как можно определить хиральность спинов (которые тоже, по сути, магнитные моменты — ред.), а это открывает возможность контролировать спиновые токи».