Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Физики разработали новый подход расчета обменных взаимодействий в магнитных материалах
Ученый из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Андрей Катанин усовершенствовал классическую теорию вычисления обменных взаимодействий в магнитных материалах. Его подход открывает новые возможности для предсказания магнитных свойств материалов, что важно для развития спинтроники и квантовых технологий.
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.
Telegram 
Дзен 
VK За последние 10 тысяч лет направленный естественный отбор способствовал эволюции почти 500 генов в ДНК жителей Западной Евразии, что повлияло на их внешний вид и восприимчивость к различным заболеваниям, установили авторы нового исследования.
Ветер на спутнике Сатурна Титане способен поднимать огромные волны, даже если он очень слабый. Эти волны формируют берега, переносят осадки, перемешивают жидкости и даже влияют на климат луны. Изучая их, планетологи могут понять, как устроены потенциально обитаемые миры за пределами Земли.
Ученые впервые подробно изучили состав самых дальних колец Урана. Выяснилось, что одно из них похоже на ледяное облако пыли, а другое богато органикой. Открытие помогает восстановить историю столкновений спутников и показывает, как именно формируются пылевые системы вокруг планет.
За последние 10 тысяч лет направленный естественный отбор способствовал эволюции почти 500 генов в ДНК жителей Западной Евразии, что повлияло на их внешний вид и восприимчивость к различным заболеваниям, установили авторы нового исследования.
Ученые продолжают исследовать фундаментальные частицы на неделимость. На этот раз на БАК исследовали кварки и не нашли у них признаков составной частицы.
Что, если развитые цивилизации во Вселенной не исчезают навсегда, а периодически «выключаются», переживая циклы коллапсов и восстановлений? Модель, разработанная авторами нового исследования, показывает, что такая прерывистая жизнь может объяснить космическую тишину — и переосмыслить будущее Земли.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно