Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review B, стали продолжением его ранних работ в соавторстве с другими исследователями.
Многие перспективные материалы от классического железа и никеля (при температурах выше точки Кюри) до фрустрированных магнетиков и спиновых стекол (при низких температурах) пребывают в парамагнитном состоянии, то есть не обладают дальним магнитным порядком. Но это не означает, что их магнитные свойства тривиальны или отсутствуют. Такие вещества характеризуются обменным взаимодействием, описывающем энергию взаимодействия спинов электронов друг с другом, и являющимся следствием их неразличимости. Именно в этих взаимодействиях «закодирована» информация о том, возникнет ли дальний магнитный порядок при охлаждении и каков будет тип этого порядка. Знание обменных взаимодействий не только объясняет магнитные свойства материала, но и дает возможность их предсказывать.
Предыдущие первопринципные подходы вычисления обменных взаимодействий в основном ориентировались на рассмотрение магнитно-упорядоченных фаз, и их результаты зависели от выбранного магнитного состояния. В то же время многие вещества (например, фрустрированные магнетики или спиновые стекла) не обладают выраженным типом магнитного упорядочения, что требует новых, более универсальных методик.
Новый подход, разработанный профессором МФТИ Андреем Катаниным в соавторстве с учеными из Германии и Нидерландов, основан на вычислении обменных взаимодействий спинов электронов с помощью анализа неоднородной магнитной восприимчивости взаимодействующей электронной системы. Неоднородная восприимчивость характеризует влияние малого неоднородного магнитного поля на материал. При этом определяется «отклик» материала на такое поле, описывающий магнитные свойства самого материала, который, в частности, и указывает на присутствующие в нем обменные взаимодействия. Метод не зависит от наличия дальнего магнитного порядка и позволяет взглянуть с единой позиции на обменные взаимодействия в магнитно упорядоченной и разупорядоченной фазах.
«Хотя идеи такого подхода выдвигались и раньше, его практическая реализация сталкивалась с трудностями, связанными с необходимостью корректно вычислять магнитные восприимчивости сильно коррелированных магнитных материалов. Такое вычисление требует правильного учета так называемых вершинных поправок, ответственных за взаимодействие электронных состояний. Я разработал эффективные алгоритмы учета вершинных поправок, что позволило получать неоднородные статические и динамические восприимчивости за относительно короткое время вычислений. Это также дает возможность вычислять обменные взаимодействия между электронами в парамагнитной фазе, включая их температурную зависимость, которой раньше также пренебрегали», — объяснил Андрей Катанин, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Алгоритм удалось полностью перевести «в цифру», теперь все расчеты выполняются автоматически. Достаточно задать положение и типы атомов в кристаллической решетке, и все дальнейшие шаги — от расчета зонной структуры, ее аппроксимации, определение локальных смещений атомных уровней и их уширения до вычисления магнитных восприимчивостей и обменных взаимодействий — выполняются с помощью программ.
«Этот метод позволил по новому взглянуть и на фундаментальные аспекты формирования обменных взаимодействий. Например, среди вершинных поправок мы нашли их особый класс, названный «частично-дырочно неприводимыми» поправками, которые соответствуют многократному взаимодействию пар электрон—дырка, перемещающихся с одного атома на другой. Хотя радиус таких перескоков несколько ограничен подвижностью электронов, в не очень сильно коррелированных магнетиках (например, никеле) он оказывается существенным. Такие вершинные поправки не учитывались в большинстве подходов, но в парамагнитной фазе они также могут оказывать существенное влияние на величину обменных взаимодействий», — пояснил Андрей Катанин.
Метод уже успешно опробован на ряде «классических» магнетиков (железо, никель, кобальт), 2D-магнитных металлических систем (Fe2C, CrTe2), а также на 2D-полупроводниках (CrCl3, CrSBr), которые активно исследуются. В случае 2D-полупроводников сотрудничество с экспериментальными группами Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и XPANCEO, а также с теоретиками лаборатории компьютерного дизайна материалов позволило обнаружить взаимосвязь магнитных и оптических свойств этих материалов. В то же время сотрудничество с экспериментальной группой лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ дало лучшее понимание особенностей магнитных свойств.
«В планах нашей группы — применить этот метод к ряду новых низкоразмерных ван-дер-Ваальсовых магнетиков, которые активно открываются в последнее время. Также представляют интерес применение разработанных методов к 2D-веществам, которые, по-видимому, находятся в состоянии спинового стекла. Алгоритм кажется перспективным и в изучении так называемых альтермагнетиков — веществ с нулевым суммарным магнитным моментом, но проявляющих нетривиальные магнитные свойства и обнаруживающих спиновое расщепление электронных уровней в отсутствие внешнего магнитного поля», — поделился Андрей Катанин.
Глубокое понимание магнетизма и возможность манипуляции спинами электронов в низкоразмерных материалах может в дальнейшем позволить создавать энергоэффективные устройства и высокочувствительные датчики. Эффективное проектирование их магнитных свойств также открывает новые возможности для разработок магнитных хранилищ данных нового типа, компонент квантовых вычислений и логических схем нового поколения.