Российские ученые установили взаимосвязь между структурой и свойствами кристаллов квантового параэлектрика — титаната стронция, легированного марганцем. Полученные научные результаты открывают новые возможности управления физическими свойствами квантовых материалов, которые могут быть применены в качестве электронной компонентной базы для нового поколения электронных устройств.
Титанат стронция со структурой типа перовскита / ©Пресс-служба ЮФУ
Квантовые материалы составляют основу нового формирующегося технологического уклада. Поэтому сейчас их активно исследуют физики, химики, а также специалисты в области информатики и материаловедения. Одним из перспективных кристаллов, вызывающих повышенный научный интерес, является титанат стронция со структурой типа перовскита (этот тип структуры образован кислородными октаэдрами, то есть многогранниками с восемью гранями) – одной из самых распространенных среди материалов, используемых в современной электронной технике.
Благодаря необычному поведению диэлектрической проницаемости, обусловленному квантовыми флуктуациями (под таковыми подразумевают временное изменение уровня энергии в определенной точке в пространстве, то есть спонтанное появление и исчезновение частиц определенного типа), этот материал относится к так называемым квантовым параэлектрикам. При этом, ученые отмечают, что если в его кристаллическую структуру ввести магнитные катионы, то он становится еще и мультиферроиком, то есть материалом, который может под действием магнитного поля менять свои электрические свойства и наоборот.
Мультиферроики крайне важны для создания нового поколения электронных устройств, в частности, оперативной памяти, информация в которой может записываться и считываться как магнитным, так и электрическим полем. Применение мультиферроиков в различных устройствах открывает возможности для уменьшения их габаритов, повышения их производительности и существенного снижения энергопотребления.
В недавней работе ведущий научный сотрудник НИИ Физики ЮФУ Михаил Таланов совместно с группой профессора РТУ-МИРЭА Александра Буша, ведущим научным сотрудником МГУ Сергеем Ивановым, ведущим научным сотрудником ИНЭОС РАН Адамом Сташем и группой профессора МФТИ Бориса Горшунова провели комплексные физико-химические исследования структуры и необычных физических свойств монокристаллов титаната стронция, легированных марганцем. Сами кристаллы, содержащие нужное количество марганца и при этом свободные от каких-либо примесей и дефектов, были выращены группой исследователей Российского технологического университета (РТУ-МИРЭА).
Ученые исследовали их структуру с помощью монокристальной рентгеновской дифракции. Это позволило с прецизионной точностью установить позиции весьма малого (всего два атомных процента) количества атомов марганца и показать, что они смещены из центральной позиции. Спектроскопические диэлектрические исследования кристаллов в широком диапазоне частот (от радиочастотной до инфракрасной области) позволило обнаружить характерные аномалии диэлектрического отклика.
Исключительная сложность задачи, успешно решенной авторами, была связана с комплексом факторов: получением беспримесных и бездефектных кристаллов, установлением механизма внедрения в кристаллическую решетку катионов марганца, которые в принципе могут замещать в решетке как стронций, так и титан, исследованием оптических и структурных характеристик кристалла, противоречивостью интерпретаций свойств этого давно известного соединения.
«Моя роль заключалась в том, чтобы предложить интерпретацию установленных экспериментальных фактов и найти объяснение строению и физическим свойствам изучаемого материала. С помощью симметрийного анализа удалось объяснить причины наблюдаемых особенностей кристаллической структуры и физических свойств, найти механизм их взаимосвязи. Таким механизмом являются повороты кислородных октаэдров, выступающих в качестве своеобразного управляющего фактора, изменение которого обусловливают тот или иной рельеф потенциальной энергии для перескоков атомов марганца между различными кристаллографическими позициями. Изменение рельефа потенциальной энергии, в свою очередь, отражается на особенностях диэлектрических свойств соединения», — рассказал ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов.
По итогу проекта ученые объяснили причины специфического поведения электродинамических свойств кристаллов титаната стронция, легированных марганцем, и существенно расширили набор перспективных мультиферроиков — кандидатов для дальнейшего изучения квантовых эффектов и их использования на практике. Например, их можно будет использовать в качестве электронной компонентной базы для суперкомпьютеров отечественного производства и нового поколения электронных устройств, в частности, оперативной памяти.
Результаты исследования, выполненного учеными Южного федерального университета совместно с коллегами из Российского технологического университета (РТУ-МИРЭА), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Московского физико-технического института (МФТИ) и Института физики Чешской академии наук, опубликованы в престижном международном научном журнале The Journal of Physical Chemistry Letters. Работа поддержана грантами Российского научного фонда (РНФ).
