Магнитные или электрические свойства вещества возникают благодаря его составу и структуре — расположению атомов в кристаллической решетке. Иногда магнитные моменты атомов в веществе выстраиваются определенным образом спонтанно, то есть без воздействия внешнего магнитного поля. Это явление физики называют магнитным упорядочением. Если направление при этом одинаково, то упорядочение называется ферромагнитным. При электрическом упорядочении в кристалле без воздействия внешнего поля может возникать спонтанная поляризация — смещение электрических зарядов. Это характерно для сегнетоэлектриков — веществ, свойства которых определяются симметрией кристалла, которая, в свою очередь, зависит от внешних условий, в частности от температуры.
В последнее время ученые все больше исследуют мультиферроики — материалы, в которых магнитное и электрическое упорядочение существуют одновременно и оказывают сильное влияние друг на друга. Основная сложность при изучении этих веществ состоит в том, что электрическая поляризация достаточно сложным образом взаимодействует с различными магнитными структурами, и для ее изучения нужны технически сложные и дорогостоящие исследования в сильных магнитных полях. Эти условия могут обеспечить только масштабные установки — ускорители, ядерные реакторы и коллайдеры заряженных частиц, мощные лазеры, вычислительные комплексы и так далее.
В новой работе исследователи изучили свойства монокристалла мультиферроика MnM0,8Co0,2WO4 в широком диапазоне воздействия магнитного поля. «Расположение и ориентация атомных магнитных моментов в кристалле формируют его магнитную структуру, которая зависит в том числе и от состава вещества, — объясняет один из авторов работы, ведущий научный сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН Александр Мухин. — При замене 20% марганца на кобальт в составе мультиферроика MnWO4 мы получили сложную антиферромагнитную коническую структуру вместо обычной плоской».
Физики изучили эволюцию этой структуры в очень широком диапазоне величины магнитного поля вплоть до так называемого спин-флип перехода, когда под действием внешнего поля магнитные моменты самого вещества выстраиваются вдоль этого поля, и вещество переходит в ферромагнитное состояние. Исследователи построили так называемые магнитоэлектрические фазовые диаграммы, которые описывают состояние вещества в каждой точке в зависимости от температуры и внешнего поля. Оказалось, воздействие магнитного поля вдоль оси конуса и перпендикулярно ей приводит к различиям в фазовых переходах и поведении электрической поляризации вещества.
«Мы установили, при каких условиях в веществе проявляется электрическая поляризация и как она зависит от изменения магнитной структуры под воздействием внешнего поля. Также мы выявили новые функциональные возможности магнитоэлектрических материалов, позволяющие управлять магнитными состояниями через электрические поля и, наоборот, электрическими состояниями с помощью магнитного поля. Исследования представляют прежде всего научный интерес, они дают полную картину эволюции магнитных структур, вплоть до предельных магнитных полей, и выявляют закономерности их поведения», — пояснил ученый.
Материалы с такими свойствами перспективны для разработки устройств спинтроники (электроники нового поколения), например суперкомпьютеров. Полученные результаты можно использовать для отработки управления свойствами подобных материалов.
