Ученые выяснили, какие материалы могут победить фрустрацию
Исследователи из МФТИ, ЮНЦ РАН и ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова нашли 25 обобщенных структур магнитных кристаллов, которым «психотерапия для материалов» — химические или физические воздействия — может помочь победить фрустрацию («неопределенность» свойств из-за конкуренции и сосуществования разных внутренних взаимодействий) и стать материалами с выраженными и полезными характеристиками. Благодаря строгому и обобщенному результату можно будет эффективнее создавать материалы с заданными свойствами для разных приложений: от энергонезависимой и быстрой памяти до магнитной сенсорики.
Исследование опубликовано в журнале Acta Materialia. Особое место среди квантовых материалов — материалов с особыми свойствами из-за квантовых эффектов — занимают сложные соединения, в структурах которых имеется пирохлорная подрешетка. Это такая структура, в которой металлические атомы занимают позиции в вершинах тетраэдров. Они, соединяясь вершинами, образуют сеть тетраэдров.
Кристаллы, содержащие пирохлорную подрешетку, проявляют аномальные физические и химические свойства, такие как сверхпроводимость, колоссальное магнитосопротивление, магнитоэлектрический эффект, повышенная каталитическая активность, эффективные электродные свойства и прочие. Также эти кристаллы обладают разнообразными технологически значимыми свойствами: радиационно-защитными, фотокаталитическими, диэлектрическими, термобарьерными и многими другими.
Многие из уникальных свойств материалов с пирохлорной структурой связаны с поведением магнитной подсистемы. Если в вершины тетраэдров поместить атомы, обладающие спинами — собственными магнитными моментами, — получается такое состояние вещества, в котором одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия: магнитные, электрические и деформационные.
При этом система испытывает геометрическую фрустрацию — по аналогии с психологической фрустрацией: из-за такой особой геометрии «решающий» характер материала не определен. Это дает возможность химически, с помощью добавок, или физически, с помощью внешнего воздействия, температуры или давления, влиять на взаимодействия свойств и получать материал с нужными характеристиками.
«Наша задача была в том, чтобы на наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства веществ с пирохлорной решеткой. Анализ, который мы провели, — строгий и получен без физических упрощений», — подчеркивает Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и основной автор статьи.
Подход ученых был основан на инструментах теории симметрии: магнитной кристаллографии, теории Ландау и теоретико-групповом анализе. Они использовали геометрические особенности решетки пирохлора, чтобы вывести все возможные модификации магнитно упорядоченных структур. То есть те общие «решения» с полезными свойствами, которые можно получить из исходной фрустрирующей и «неопределившейся» решетки пирохлора с помощью дополнительных воздействий.
Ученые нашли 25 модельных структур. Оказалось, что подавляющее большинство существующих материалов с пирохлорной подрешеткой можно описать найденными структурами. Чтобы прийти к этому выводу, исследователи сравнили результаты своих вычислений с базами данных экспериментально изученных веществ с пирохлорной подрешеткой.
Неожиданным результатом оказалось то, что 24 модельные структуры из 25 обладают скрытыми свойствами, обусловленными магнитной структурой, но напрямую с ней не связанными. Эти структуры образуются не только за счет магнитного упорядочения, но и за счет деформации решетки — такие структуры проявляют сегнетоэластические свойства. В случае жестких неорганических каркасов с пирохлорным типом строения спиновое упорядочение неотделимо от искажений решетки. Это означает, что спины электронов сильно связаны с атомным каркасом. Изменяя состав каркаса, можно рационально воздействовать на электронную подсистему кристалла. Этот результат открывает новые возможности для управления процессами в электронике, химии, химической технологии и, возможно, в биологии.
«Во многих работах при объяснении свойств материала коллеги не учитывают деформацию решетки в своих моделях магнитных взаимодействий. Наше исследование показало, что она есть почти во всех магнитно-упорядоченных структурах и ее необходимо учитывать», — поясняет Михаил Таланов.
Также два типа структур из найденных 25 — это мультиферроики, в которых связаны электрические и магнитные свойства. Например, такие материалы — основа будущих систем хранения информации за счет управления намагниченности электрическим полем или для разработки магнитных датчиков. Экспериментаторы могут опираться на результаты статьи, чтобы синтезировать вещества, ожидая нужных свойств у получаемых материалов. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые МИЭМ ВШЭ предложили математическую модель, которая позволяет понять, как взаимодействие между сообществами влияет на их устойчивость. Работа основана на классической теории эволюционных игр и демонстрирует неожиданный эффект: даже небольшое информационное воздействие одного сообщества на другое может привести к тому, что одно из них сохранит внешнюю стабильность, а в другом начнутся хаотические изменения на уровне отдельных участников.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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