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 Пяти постов на одну тему достаточно, чтобы сформировать мнение. Новое исследование показало, что убеждения в соцсетях фиксируются быстрее, чем включается критическое мышление.
Ученые РТУ МИРЭА и Сибирского федерального университета создали программный комплекс, который анализирует учебные планы вузов быстрее секунды и находит в них слабые места. Большинство учебных планов содержат скрытые противоречия, дублирования и неочевидные перекосы в подготовке специалистов. Это важно, потому что от качества учебного плана напрямую зависит, какие реальные навыки получат студенты и насколько они будут востребованы работодателями.
Наскальное искусство палеолита — большая редкость для Британии, а рисунки в пещере Бейкон-Хоул, открытые в 1912 году, почти 100 лет считались природным явлением. Международная группа исследователей не только повторно обнаружила эту панель, но и с помощью химического анализа пигмента доказала ее антропогенное происхождение и возраст около 17 тысяч лет, вернув находке статус одного из древнейших памятников символической деятельности человека на Британских островах.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
Изучив данные о скорости изменения температур ледяных спутников пятой и шестой планеты системы, астрономы обнаружили, что она слишком высока для по-настоящему ледяной поверхности. Оказалось, что эти тела покрыты материалом, по своим свойствам резко отличающимся от земного льда.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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