De wetenschappers van de Ural Federal University voerden een onderzoek uit waarin ze ontdekten dat een van de koperoxiden met een structuur van een zeldzaam mineraal spinel - CuAl ₂ O ₄ -is een materiaal met ongebruikelijke magnetische eigenschappen en structuur als gevolg van significante spin-baaninteracties.

De wetenschappers beschreven het proces en de resultaten van het onderzoek in het artikel gepubliceerd in Fysieke beoordeling B , 's werelds grootste gespecialiseerde tijdschrift over vastestoffysica.

Spin-baaninteractie is te wijten aan de elektromagnetische interactie van de elektronspin met het magnetische momentum dat wordt veroorzaakt door elektronen die rond een kern draaien. Het fenomeen is essentieel voor 4D- en 5D-systemen, die zijn gebaseerd op de elementen van de vijfde en zesde groep in het periodiek systeem van Mendelejev - van yttrium tot cadmium en van hafnium tot kwik, respectievelijk. CuAl ₂ O ₄ is een 3D-systeem, omdat koper tot 3D-elementen behoort (van scandium tot zink in het periodiek systeem) waarvoor spin-baan interactie meestal niet zo cruciaal is. Echter, het blijkt dat in het geval van c CuAl ₂ O ₄ , het is cruciaal. De spin-baan interactie zorgt niet alleen voor de magnetische eigenschappen, maar bepaalt ook de kristalstructuur van het materiaal.

Het punt is dat de kristalstructuur van bijna alle bekende koperoxiden (inclusief zowel op hoge temperatuur Cu-gebaseerde supergeleiders als het bekende kopersulfaat-CuSO ₄ •5H ₂ O)—is aanzienlijk vervormd. Echter, de tetraëders van zuurstofatomen rond koperionen in CuAl ₂ O ₄ blijven ideaal tot de laagste temperaturen. Dit feit werd in 2017 ontdekt door Zuid-Koreaanse en Amerikaanse onderzoekers, maar het werd pas onlangs mogelijk om het uit te leggen, als resultaat van het onderzoek met de deelname van Ekaterinburg-wetenschappers.

"De vervormingen in koperoxiden worden veroorzaakt door een van de meest fundamentele natuurkundige verschijnselen, het Jahn-Teller-effect. Dit is, in feite, een heel eenvoudig fenomeen. fysieke systemen, zoals mensen, houden niet van onzekerheid en proberen situaties te vermijden waarin elektronen niet in staat zijn een strikt bepaald energieniveau in te nemen, maar moet kiezen uit wat beschikbaar is. Het is gemakkelijk om elektronen van deze vrijheid te beroven - je hoeft alleen atomen van zeer symmetrische posities te verplaatsen, waardoor het kristalrooster wordt vervormd, " co-auteur Prof. Sergei Streltsov, Dr. Sci. in natuurkunde en wiskunde, hoofd van het UrFU Laboratory of Electronic and Nuclear Resonance en het Institute of Metal Physics van de Ural Branch van de Russian Academy of Sciences (IMP UB RAS) Laboratory of Low-Dimensional Spin Systems Theory, verklaart.

Echter, zo werkt het niet in CuAl ₂ O ₄ :spin-baan interactie interfereert. Het bepaalt in welke banen elektronen draaien en welke energie ze hebben.

interessant, de spin-baan interactie behoudt niet alleen het symmetrische rooster in CuAl ₂ O ₄ , maar beïnvloedt ook de magnetische eigenschappen ervan. Theoretische berekeningen uitgevoerd door Sergei Nikolaev (UrFU Academic Department of Theoretical Physics and Applied Mathematics) en Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) laten zien dat spin-baan interactie ervoor zorgt dat spins draaien. Als resultaat, in een ideale CuAl ₂ O ₄ steekproef, in extreem lage temperaturen, de spins liggen niet in één richting, als, bijvoorbeeld, in gewoon ijzer, maar moet een zogenaamde "spinspiraal" vormen.

"De gemakkelijkste manier om zo'n magnetische structuur te beschrijven is door het voorbeeld van een ketting bestaande uit spins, " Zegt Sergei Streltsov. "Als de spins parallel zijn uitgelijnd, dan krijgen we een ferromagneet, in antiparallel (dat wil zeggen, afwisselend omhoog en omlaag), een antiferromagneet. En als elke spin geleidelijk wordt afgebogen onder dezelfde hoek ten opzichte van de vorige, dan krijgen we een spin-spiraal. Het is dit type magnetische ordening dat wordt verwacht in een perfect monster van CuAl ₂ O ₄ ."