В 1977 г. в рамках развиваемой А. С. Москвиным с коллегами (Е. В. Синицын, И. Г. Бострем) микроскопической теории взаимодействия Дзялошинского-Мория, или антисимметричного обмена, было установлено соотношение (правило) знаков вектора Дзялошинского в парах различных 3d- ионов S-типа (Cr3+, Mn4+, Fe3+, Mn2+, Ni2+ с конфигурациями 3d3,3d5,3d8), на основе которого было предсказано появление нового типа магнитного упорядочения в смешанных системах типа ферритов-хромитов YFe1-xCrxO3 с конкурирующими знаками вектора Дзялошинского, названного поперечным слабым ферримагнетизмом. Характерной особенностью слабых ферримагнетиков являлось появление точек концентрационной и температурной компенсации магнитного момента, а также необычных спин-переориентационных переходов. В том же году это теоретическое предсказание получило подтверждение в экспериментах на монокристаллах YFe1-xCrxO3 в группе А. М. Кадомцевой на физическом факультете МГУ (A. М. Кадомцева, А. С. Москвин с сотр., Природа аномальных магнитных свойств ферритов-хромитов иттрия, ЖЭТФ, т.72, в. 6, с. 2286-2297, 1977). В течение 10 лет был проведен ряд совместных теоретических и экспериментальных исследований ряда слабых ферримагнетиков (RFe1-xCrxO3, R=Y, Nd, Gd; Fe1-xCrxBO3, Mn1-xNixCO3 ), носивших чисто академический интерес, без какого-либо интереса к перспективам практического использования новых материалов.
Резкий рост интереса к системам с точкой компенсации, в частности, и к слабым ферримагнетикам в последнее десятилетие был вызван перспективами их применения в магнитной памяти и различных устройствах магнитоэлектроники (см. обзор A. Kumar, S.M. Yusuf / Physics Reports 556 (2015) 1–34). Так, слабый ферримагнетик YFe0.5Cr0.5O3 демонстрирует перемагничивание (magnetization reversal, MR, also called negative magnetization) при малых приложенных полях (Jinhua Mao et al., Appl. Phys. Lett. 98, 192510 (2011)). Ниже температуры компенсации (Tcomp) настраиваемое биполярное переключение намагниченности демонстрируется путем изменения величины поля при сохранении его направления. Соединение также демонстрирует как нормальный, так и обратный магнитокалорический эффект соответственно выше и ниже Tcomp = 260 K. В широком классе слабых ферримагнетиков наблюдается аномальный эффект отрицательного теплового расширения (F. Pomiro et al., Phys. Rev. B 94, 134402 (2016)), что свидетельствует о специфическом взаимодействии магнитной подсистемы с решеткой. Уникальной особенностью некоторых слабых ферримагнетиков RFe1-xCrxO3 с немагнитным R-ионом является обнаружение спин-переориентационных переходов (A. M. Kadomtseva and A. S. Moskvin, Acta Phys. Polonica A 68, 303 (1985)), типичных для ортоферритов и ортохромитов с магнитными R-ионами.
Слабые ферримагнетики могут проявлять эффект перестраиваемого обменного смещения (exchange bias (EB) effect), причем в них, в отличие от типичных систем с обменным смещением типа гетероструктур ферромагнетик/антиферромагнетик, это явление наблюдается в единой магнитной системе. Эффект обменного смещения в слабых ферримагнетиках можно настраивать предсказуемым образом, так что они могут иметь потенциальное применение в электромагнитных устройствах. Недавно EB-эффект с изменением знака был обнаружен в феррите-хромите LuFe0.5Cr0.5O3 (I. Fita, V. Markovich, A. S. Moskvin et al., Phys. Rev. B 97, 104416 (2018)), который является слабым ферримагнетиком ниже TN = 265 K, демонстрируя антипараллельную ориентацию средних слабоферромагнитных моментов подрешеток Fe и Cr из-за противоположного знака вектора Дзялошинского Fe–Cr по сравнению со знаком для связей Fe–Fe и Cr–Cr. Слабоферромагнитные моменты Fe- и Cr-подрешеток в этом соединении компенсируют друг друга при температуре Tcomp = 230 K, что приводит к инверсии суммарного магнитного момента и наблюдаемой отрицательной намагниченности при умеренной величине приложенного поля ниже Tcomp. Разнообразие таких необычных свойств, как высокая температура компенсации, регулируемый положительный/отрицательный EB-эффект ниже/выше Tcomp и переключение направления намагничивания на противоположное с помощью магнитного поля без изменения его полярности, делает LuFe0.5Cr0.5O3 и другие слабые ферримагнетики перспективными кандидатами для применения в магнитной памяти.
Сочетание эффекта перемагничивания с магнитоэлектроникой представляет огромный технологический потенциал для приложений в различных устройствах, например, термически поддерживаемых магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом, термомагнитных переключателях и других многофункциональных устройствах, с предварительно выбранным и удобным способом настройки. Особые магнитокалорические свойства слабых ферримагнетиков в области точек компенсации и спиновой переориентации указывают на их перспективность как материалов для магнитного охлаждения. Слабые ферримагнетики RFe1-xCrxO3 (R=Ho, Er, Yb, Y, Lu) при большой концентрации Cr могут проявлять ферроэлектрические свойства (J. R. Sahu et al., Mater. Chem. 17, 42 (2007)), то есть будут мультиферроиками.
Несмотря на появление в последние годы довольно большого количества экспериментальных исследований слабых ферримагнетиков (кстати, выполненных на поликристаллических образцах, в отличие от монокристаллов в первых экспериментах группы А.М. Кадомцевой), вопрос о физическом механизме формирования их необычных свойств остается дискуссионным. В частности, это касается роли образования суперпарамагнитных нанокластеров (см., например, M. Tamine et al., JMMM, 140–144, 1765 (1995); Florencia E. Lurgo et al., PRB, 103, 014447 (2021)), влияния термообработки (P. Coutinho and P. Barrozo, Appl. Phys. A 124, 668 (2018)). Первые попытки описания концентрационных и температурных зависимостей намагниченности слабых ферримагнетиков, выполненные группой А. С. Москвина в рамках приближения молекулярного поля еще в конце 70-х годов, и воспроизведенные через 35 лет для системы YFeCrO3 (N. Dasari et al., Europhys. Lett. 99, 17008 (2012)), а также и недавние расчеты методом Монте-Карло (см., например, F. E. Lurgo et al., PRB, 103, 014447 (2021)) проведены в рамках упрощенной модели, не учитывающей реальной структуры взаимодействия Дзялошинского-Мория, приводящего не только к явному, но и «скрытому» скосу магнитных подрешеток (слабый «антиферромагнетизм»), так и симметричной спиновой анизотропии. Более того, до сих пор дискутируется вопрос о реальной роли взаимодействия Дзялошинского-Мория в формировании слабого ферромагнетизма в ортоферритах, а значит и слабых ферримагнетиках (см. работу J.-S. Zhou et al., PRB, 102, 104420 (2020)). Особого внимания заслуживает проблема описания слабых ферримагнетиков RFe1-xCrxO3 с магнитными R-ионами, включая сравнительный анализ эффектов высокотемпературного и низкотемпературного перемагничивания, вызванного компенсацией магнитного момента без участия и с участием R-подрешетки соответственно, разработку теории спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках, теории прямого и обратного магнитокалорического эффекта.
Данный проект предполагает решение ряда актуальных вопросов физики редкоземельных слабых ферримагнетиков типа RFe1-xCrxO3 и разработку научно-обоснованных рекомендаций по созданию на их основе новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники:
− Обоснование формы спин-гамильтониана слабых ферримагнетиков, проведение достоверных оценок параметров обменного взаимодействия, взаимодействия Дзялошинского-Мория, симметричной спиновой анизотропии в слабых ферримагнетиках типа YFe1-xCrxO3.
− Разработка теории 4f-3d-взаимодействия в редкоземельных слабых ферримагнетиках.
− Разработка теории спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках RFe1-xCrxO3 с магнитными и немагнитными (La, Y, Lu) R-ионами.
− Разработка программы для компьютерного моделирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков в рамках приближения молекулярного поля и метода Монте-Карло при выборе исходного гамильтониана с правильными параметрами основных взаимодействий.
− Разработка научно-обоснованных рекомендаций по синтезу на основе слабых ферримагнетиков новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники с рабочими температурами вблизи комнатной температуры.
Ожидаемые результаты:
В результате реализации проекта будет решен ряд актуальных задач физики редкоземельных слабых ферримагнетиков типа RFe1-xCrxO3, в частности будут проведены достоверные оценки параметров обменного взаимодействия, взаимодействия Дзялошинского-Мория, симметричной спиновой анизотропии в слабых ферримагнетиках типа YFe1-xCrxO3; разработана теория 4f-3d-взаимодействия в редкоземельных слабых ферримагнетиках; разработана теория спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках RFe1-xCrxO3 с магнитными и немагнитными (La, Y, Lu) R-ионами; разработана программа для компьютерного моделирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков в рамках приближения молекулярного поля и метода Монте-Карло при выборе исходного гамильтониана с разумными параметрами основных взаимодействий. Решение этих задач имеет принципиальное значение для понимания физических механизмов формирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков − нового класса магнитных материалов.
На основе полученных результатов будут даны научно-обоснованные рекомендации по целенаправленному поиску и синтезу новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники на основе слабых ферримагнетиков.