Международная группа исследователей, в которую вошли российские ученые из Московского государственного университета, изучает поведение недавно открытого оксида железа Fe4O5. Группе удалось описать его сложную структуру и предложить объяснение его очень необычным свойствам. Статья появилась в текущем номере журнала Nature Chemistry.
Ученые обнаружили, что при охлаждении оксида железа Fe4O5 до температуры ниже 150К происходит необычный фазовый переход, связанный с формированием волн плотности заряда, которые приводят к «четырехмерной» кристаллической структуре. Артем Абакумов (старший научный сотрудник химического факультета кафедры электрохимии МГУ им. и кристаллические структуры.
Истоки этого исследования восходят к 1939 году, когда немецкий физик Э. Ю. В. Вервей первым обнаружил, что оксид железа Fe3O4, широко известный как минерал магнетит, имеет странный фазовый переход. Магнетит в обычном состоянии является относительно хорошим электропроводником, но при охлаждении ниже 120К его проводимость заметно уменьшалась, и материал практически становился изолятором. Ученые догадались о причине такого превращения, объяснив это тем, что ниже 120 К атомы железа выстраиваются в своего рода упорядоченную структуру. В этой структуре электронам запрещено свободно перемещаться внутри материала и действовать как носители заряда, так что этот оксид даже становится сегнетоэлектриком. Но даже в этом случае ученые не могли объяснить, что именно меняется в структуре - то, что физики пытались обнаружить в течение последнего столетия. Все, что можно было предположить, это то, что это явление связано с присутствием атомов железа в двух различных степенях окисления (валентности) - 2 и 3 - и их последующей способностью образовывать упорядоченные структуры.
Ответ на этот вопрос был найден совсем недавно, в 2012 году, когда группе исследователей под руководством профессора Пола Эттфилда из Кембриджского университета удалось синтезировать высококачественные монокристаллы магнетита и расшифровать их структуру. Ученые показали, что, как и предполагалось ранее, произошло так называемое изменение упорядоченности, при котором двух- и трехвалентные атомы железа упорядочиваются в группы по три, которые называются тримеронами..
Авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Chemistry, решили изучить другой оксид железа, Fe4O5, который совсем недавно был открыт группой американских исследователей. Это необычный оксид, который может образовываться только при чрезвычайно высоких температурах и давлении, а это означает, что его нельзя найти на поверхности Земли, и он существует наряду с другими оксидами, содержащими даже более высокие уровни кислорода, как теперь считается, на огромных глубинах. сотни километров под поверхностью нашей планеты.
При изучении поведения этого оксида, полученного Сергеем Овсянниковым в группе доктора Леонида Дубровинского из Байройтского университета в Германии, специалиста по синтезу материалов при высоком давлении, ученые обнаружили, что этот оксид имеет фазу фазового перехода, очень похожую на фазу, отмеченную Вервеем в магнетите. Однако он отличается тем, что происходит при разных температурах, и конфигурация полученной структуры гораздо сложнее.
"Мы обнаружили, что здесь, как и в магнетите, при охлаждении ниже 150К возникает необычная структура. Это что-то вроде смеси стандартных волн плотности заряда, образующих димеры" (цепочки пар атомов железа, которые укоротили межатомное расстояние, - прокомментировал Эд) Артем Абакумов, - и ситуацию с тримеронами, которая наблюдалась в магнетите. Это было очень сложно в случае Fe4O5 - так называемой «несоизмеримо модулированной структуры», в которой мы не можем идентифицировать трехмерную периодичность. Однако периодичность можно наблюдать в многомерном пространстве - в данном конкретном случае, в четырехмерном пространстве. Когда мы упоминаем о четырехмерности таких структур, то на самом деле не говорим о существовании этих оксидов в четырех измерениях, конечно. Это всего лишь техническая конструкция для математического описания столь высоко сложный заказ."
Несмотря на явное сходство поведения магнетита и Fe4O5, зарядово-упорядоченная структура Fe4O5 остается центросимметричной, не проявляя никаких сегнетоэлектрических свойств. Особый интерес ученых к Fe3O4 связан с тем, что магнетит принадлежит к классу материалов, известных как мультиферроики, в которых наблюдаются одновременно два вида упорядочения - магнитное и электрическое. Если эти два разных порядка связаны друг с другом, то воздействие магнитного поля на материал может изменить его электрическую поляризацию или, наоборот, изменение намагниченности под действием электрического поля.
«Если это произойдет, - говорит Артем Абакумов, - то мы получим бифункциональный материал. Это интересно не только с точки зрения фундаментальной физики или химии твердого тела, но и с точки зрения того, практическое применение. Его можно было бы использовать в датчиках - например, в датчиках магнитного поля. Единственным недостатком является то, что в норме связь магнитного и электрического порядка довольно слабая и проявляется только при низких температурах. Сравнительный анализ кристаллических, электронных и магнитная структура Fe4O5 и магнетита дадут нам возможность лучше изучить взаимосвязь магнитного и электрического порядка в материалах такого рода».