Необычные свойства графеноподобных ван-дер-ваальсовских магнитных материалов: нейтронные исследования

В одном из последних номеров журнала npj Quantum Materials (Nature Publishing Group) была опубликована статья сотрудников Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Д. П. Козленко, О. Н. Лис, С. Е. Кичанова, Н. М. Белозеровой, Б. Н. Савенко “ Spin induced negative thermal expansion and spin-phonon coupling in van der Waals material CrBr₃”.

На фото слева направо: О. Н. Лис, Б. Н. Савенко, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Е. В. Лукин, Н. М. Белозерова

Объектом исследования данной работы является модельный материал CrBr₃ из семейства низкоразмерных ван-дер-ваальсовских магнитных соединений. В настоящее время исследование ван-дер-ваальсовских магнетиков является одним из наиболее актуальных направлений в области физики конденсированного состояния и материаловедения, поскольку подобные вещества по сути являются магнитными аналогами графена – уникального двумерного материала, открытие которого было отмечено Нобелевской премией по физике 2010 г. Недавние исследования двумерных форм ван-дер-ваальсовских магнетиков показали, что магнитное упорядочение в них может сохраняться при достаточно высоких температурах вплоть до предела атомного монослоя. Кроме того, в данных материалах обнаружено большое разнообразие новых физических явлений при изменении термодинамических параметров (температуры и давления), включая сверхпроводимость, топологические спиновые возбуждения, скирмионные состояния, переход диэлектрик-металл, спиновый кроссовер.

Проведенные на базовой установке ОИЯИ – импульсном реакторе ИБР-2, исследования структурных и магнитных свойств соединения CrBr₃ с помощью метода нейтронной дифракции позволили обнаружить необычные эффекты — аномальное поведение структурных характеристик в области температуры ферромагнитного упорядочения Т_С и отрицательное тепловое расширение объема кристаллической решетки и квазидвумерных ван-дер-ваальсовских слоев в области температур T < T_C. Следует отметить, что отрицательное тепловое расширение является сравнительно редким физическим эффектом, обнаруженным лишь в нескольких классах материалов. В то время как в большинстве кристаллических веществ наблюдается увеличение объема кристаллической решетки и характерных межатомных расстояний с увеличением температуры – положительное тепловое расширение, в исключительных случаях, как для CrBr₃, в определенном диапазоне термодинамических параметров может реализовываться обратный эффект – отрицательное тепловое расширение, когда с увеличением температуры происходит уменьшение объема и межатомных расстояний (рис.1). Интересно отметить, что графен также демонстрирует отрицательное тепловое расширение, причем коэффициент линейного теплового расширения атомных слоев в CrBr₃ в области T < Tc, α_l = -1.6⋅10^-5 K^-1, оказался близким к соответствующей величине для графена в области низких температур.

Полученный результат свидетельствует о хорошей совместимости материалов типа CrX₃ и графена с точки зрения перспектив создания гетероструктур на их основе, практическое использование которых может стать важным шагом на пути к разработке передового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации.

Рис. 1. a) Нейтронные дифракционные спектры CrBr₃, измеренные при различных температурах и профили, рассчитанные по методу Ритвельда. b) Ромбоэдрическая кристаллическая структура CrBr₃ симметрии R3. Справа показан вид ван-дер-ваальсовских атомных слоев сверху и сбоку. с) Температурные зависимости параметров и объема элементарной ячейки кристаллической решетки CrBr₃, отнормированные на соответствующие значения при комнатной температуре. d) Температурные зависимости расстояний между магнитными ионами Cr внутри ван-дер-ваальсовских слоев (intra-layer) и между слоями (inter-layer).

Также недавно в журнале Physical Review X были опубликованы результаты исследования структурных и магнитных свойств антиферромагнитного ван-дер-ваальсовского материала FePS₃ при воздействии высоких давлений, проведенного совместно коллективом сотрудников ЛНФ им. Франка Д. П. Козленко, С. Е. Кичановым, Б. Н. Савенко с научными группами из Сеульского национального университета (Республика Корея), Университета Кембриджа (Великобритания), Института Лауэ-Ланжевена и Университета Сорбонны (Франция). Обнаружено существование новой структурной модификации FePS₃ с моноклинной кристаллической структурой в области давлений выше P = 1 ГПа (10000 атмосфер). Структурная перестройка при воздействии высокого давления приводит к изменению характера антиферромагнитного упорядочения с квазидвумерного на трехмерный, что проявляется в двукратном уменьшении размера элементарной ячейки магнитной решетки вдоль направления z, рис. 2. При более высоких давлениях P > 14 ГПа в области перехода диэлектрик-металл также наблюдалось подавление антиферромагнитного упорядочения и формирование фазы с ближним магнитным порядком.

Рис. 2. (а) Нейтронные дифракционные спектры FePS₃, измеренные при различных давлениях и температурах и профили, рассчитанные по методу Ритвельда. (b) Моноклинная структура FePS₃ симметрии C2/m. (c) Магнитная структура FePS₃ при нормальном и высоком давлениях.

Более подробно с результатами данных исследований можно ознакомиться в работах:

[1] D.P. Kozlenko, O.N. Lis, S.E. Kichanov, E.V.Lukin, N.M.Belozerova, B.N.Savenko “Spin induced negative thermal expansion and spin-phonon coupling in van der Waals material CrBr₃”, npj Quantum materials 6: 19 (2021), https://doi.org/10.1038/s41535-021-00318-5.

[2] M.J.Coak, D.M.Jarvis, H.Hamidov, A.R.Wildes, J.A.M.Paddison, C.Liu, C.R.S.Haines, N.T.Dang, S.E.Kichanov, B.N.Savenko, S.Lee, M.Kratochvilova, S.Klotz, T.Hansen, D.P.Kozlenko, J.-G.Park, and S.S.Saxena “Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS₃”, Physical Review X 11, 011024 (2021), https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.011024.

Статьи опубликованы в соответствии с Международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.