Forskarna vid Ural Federal University genomförde en studie där de fann att en av kopparoxiderna med strukturen av ett sällsynt mineral spinell—CuAl ₂ O ₄ — är ett material med ovanliga magnetiska egenskaper och struktur på grund av betydande spin-omloppsinteraktioner.

Forskarna beskrev processen och resultaten av forskningen i artikeln publicerad i Fysisk granskning B , världens största specialiserade tidskrift om fasta tillståndets fysik.

Spin-omloppsinteraktion beror på elektronspinnets elektromagnetiska interaktion med det magnetiska momentum som orsakas av elektronsnurr runt en kärna. Fenomenet är viktigt för 4d- och 5d-system, som är baserade på elementen i den femte och sjätte gruppen i Mendeleevs periodiska system - från yttrium till kadmium och från hafnium till kvicksilver, respektive. CuAl ₂ O ₄ är ett 3d-system, eftersom koppar tillhör 3d-element (från skandium till zink i det periodiska systemet) för vilka spin-omloppsinteraktion vanligtvis inte är så avgörande. Dock, det visar sig att i fallet med c CuAl ₂ O ₄ , den är avgörande. Spin-omloppsinteraktionen åstadkommer inte bara de magnetiska egenskaperna, men bestämmer också materialets kristallstruktur.

Poängen är att kristallstrukturen för nästan alla kända kopparoxider (inklusive både högtemperatur Cu-baserade supraledare och det välkända kopparsulfatet-CuSO ₄ •5H ₂ O)—är avsevärt förvrängd. Dock, tetraedrarna av syreatomer som omger kopparjoner i CuAl ₂ O ₄ förbli idealisk ner till de lägsta temperaturerna. Detta faktum upptäcktes 2017 av sydkoreanska och amerikanska forskare, men det blev möjligt att förklara det först nyligen, som ett resultat av forskningen med deltagande av Ekaterinburg-forskare.

"Förvrängningarna i kopparoxider orsakas av ett av de mest grundläggande fysiska fenomenen, Jahn-Teller-effekten. Detta är, faktiskt, ett mycket enkelt fenomen. Fysiska system, som människor, gillar inte osäkerhet och försöker undvika situationer där elektroner inte kan uppta en strikt bestämd energinivå, men måste välja bland vad som finns. Det är lätt att beröva elektroner denna frihet – du behöver bara flytta atomer från mycket symmetriska positioner, därigenom förvränger kristallgittret, " medförfattare Prof. Sergei Streltsov, Dr. Sci. i fysik och matematik, chef för UrFU-laboratoriet för elektronisk och kärnresonans och institutet för metallfysik i Ural-grenen av den ryska vetenskapsakademins (IMP UB RAS) Laboratory of Low-Dimensional Spin Systems Theory, förklarar.

Dock, det fungerar inte så i CuAl ₂ O ₄ :spin-orbit interaktion stör. Den bestämmer i vilka banor elektroner snurrar och vilka energier de har.

Intressant, spin-omloppsinteraktionen bevarar inte bara det symmetriska gittret i CuAl ₂ O ₄ , men påverkar också dess magnetiska egenskaper. Teoretiska beräkningar utförda av Sergei Nikolaev (UrFU Akademiska institutionen för teoretisk fysik och tillämpad matematik) och Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) visar att spinn-omloppsinteraktion får spinn att vrida sig. Som ett resultat, i en idealisk CuAl ₂ O ₄ prov, i extremt låga temperaturer, snurren står inte i linje i en riktning, som, till exempel, i vanligt järn, men måste bilda en så kallad "snurrspiral".

"Det enklaste sättet att beskriva en sådan magnetisk struktur är genom exemplet med en kedja som består av snurr, " säger Sergei Streltsov. "Om snurrarna är parallella, då får vi en ferromagnet, i antiparallell (det vill säga växlar mellan upp och ner), en antiferromagnet. Och om varje snurr gradvis avböjes i samma vinkel i förhållande till det föregående, då får vi snurrspiral. Det är denna typ av magnetisk ordning som förväntas i ett perfekt prov av CuAl ₂ O ₄ ."