Синтез под высоким давлением полуметаллических ферромагнетиков с выдающимися характеристиками и связанные с ними физические механизмы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-42-00069

НазваниеСинтез под высоким давлением полуметаллических ферромагнетиков с выдающимися характеристиками и связанные с ними физические механизмы

Руководитель Ирхин Валентин Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова Полуметаллы, синтез под высоким давлением, четверной перовскит, орбитальное и зарядовое упорядочение, DMFT, эффект Яна-Теллера

Код ГРНТИ29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С точки зрения теории в магнитных полуметаллах (half-metals), т.е. материалах в которых один спиновый канал является проводящим, а другой диэлектрическим, должна наблюдаться 100% спиновая поляризация проводящих электронов. Такие системы являются перспективным для применения в качестве магнитных датчиков, спиновых фильтров, компьютерной памяти, магнитной записи и т.д. Для поиска новых магнитных полуметаллов, которые можно было бы использовать в практических применениях при комнатной температуре (КТ), требуется учесть ряд факторов. Во-первых, ферромагнитная (FM) или ферримагнитная (FiM) температура Кюри (TC) должна быть значительно выше КТ. Во-вторых, энергетическая щель (Eg) изоляторного спинового канала должна быть достаточно большой (> 1,0 эВ), чтобы подавить спин-флип переходы, вызванные тепловым возбуждением носителей. Кроме того, можно ожидать, что большой магнитный момент насыщения будет способствовать эффективной поляризации тока в таких системах. В настоящее время ключевой задачей является реализация комбинации таких характеристик в конкретных соединениях. Настоящий российско-китайский проект направлен на синтез новых магнитных полуметаллов с превосходными синтетическими характеристиками, упомянутыми выше. В последние десятилетия перовскиты с химической формулой ABO3 стали одними из наиболее важных материалов при исследований магнитных полуметаллов. Однако в такой простой структуре только B-узел содержит магнитные ионы переходного металла, что ограничивает возможности улучшения физических характеристик магнитных полуметаллов на основе обычных перовскитов. В данном проекте планируется применить особые методы синтеза под высоким давлением, чтобы частично заменить немагнитный А-узел другим переходным металлом A', а затем синтезировать упорядоченный по A-узлу так называемые четверные перовскиты (quadruple perovskites; отметим, что в русскоязычной литературе пока не сложилось устойчивого термина в отношении данных систем; вероятно, с химической точки зрения наиболее правильно было бы называть такие структуры перовскитоподобными, но для большей конкретизации в данном проекте будет использоваться термины четверной или учетверенный) с химической формулой AA'3B4O12. Кроме того, третий переходный металл B' будет использоваться для частичной замены B-позиции и получения четверных перовскитов типа AA'3B2B'2O12, упорядоченных как по A-, так и по B-позициям. В этих упорядоченных перовскитах магнитные ионы переходных металлов занимают несколько атомных позиций (A', B и B'), что может привести к возникновению дополнительных путей обменного взаимодействия и электронных перескоков, таких как A'- A' и A'-B/B', помимо обычного В-В взаимодействия. В результате общая интенсивность магнитного взаимодействия может быть увеличена, что способствует резкому увеличению TC. Путем выбора подходящей комбинации для катионов в A'-, B- и B'-позициях, планируется разработать и синтезировать полуметаллы с высокой температурой TC, с большой величиной щели Eg, а также с большими магнитными моментами. Следовательно, предложенные в данном проекте четверные перовскиты совершенно уникальны для исследований высокоэффективных полуметаллов. Обе стороны этого проекта добились выдающихся успехов в исследованиях полуметаллов с разных сторон. Китайская сторона занимается экспериментальными исследованиями, включая синтез материалов, структурную характеризацию, различные магнитные и электрические измерения. Российская сторона специализируется на модельных и первопринципных теоретических исследованиях спин-спиновых взаимодействий, спин-фононной связи и электронной зонной структуры, эффектов, связанных с сильными корреляциями и т.д. Тесное и взаимодополняющее сотрудничество между двумя сторонами дает возможность совершить большой прорыв в разработке магнитных полуметаллов с выдающимися характеристиками для многообещающих приложений при или даже выше КТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ирхин В.Ю. Hubbard Bands and Exotic States in Doped and Undoped Mott Systems: The Kotliar–Ruckenstein Representation Condensed Matter, Condens. Matter 2023, 8(3), 75 (год публикации - 2023)
10.3390/condmat8030075

2. Игошев П.А., Стрельцов С.В., Кугель К.И. Multiorbital exchange Hamiltonians: derivation and examples Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 587, 171315 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jmmm.2023.171315

3. Пчелкина З.В., Комлева Е.В., Ирхин В.Ю., Лонг. Ю, Стрельцов С.В. Rattling phonon modes in quadruple perovskites Письма в ЖЭТФ, 118, 733-734 (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023603202

4. Мякотников Д.А., Комлева Е.В., Лонг Ю., Стрельцов С.В. Importance of the indirect exchange interaction via s-states in altermagnetic HgMnO3 American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B 110, 134427 (2024) (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.134427

5. Игошев П.А., Чижов Д.Е., Ирхин В.Ю., Стрельцов С.В. Spin-orbit coupling induced orbital entanglement in a three-band Hubbard model American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B 110, 115110 (2024). (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.115110

6. Потеряев А.И., Пчелкина З.В., Стрельцов С.В., Лонг Ю., Ирхин В.Ю. Highly correlated electronic state in a ferrimagnetic quadruple perovskite CuCu3Fe2Re2O12 JETP Letters (год публикации - 2025)

7. Лиу Ж., Пенг Д., Ванг К., Темников Ф., Ушаков А., Йе К., Пан Ж., Жанг Д., Пи М., Танг Ш., Чен К., Раду Ф., Ху Ж., Ченг Ч.-Т., Чи Ж., Пчёлкина З., Ирхин В., Стрельцов С.В., Лонг Ю. High-pressure synthesis and high-performance half metallicity of quadruple perovskite oxide DyCu3Fe2Re2O12 Fundamental Research (год публикации - 2024)
10.1016/j.fmre.2024.11.024

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С помощью обобщенного приближения Хартри-Фока исследовано влияние спин-орбитальной связи на свойства основного состояния трехзонной модели Хаббарда с квадратной решеткой и одним электроном на узел. Вычислены микроскопические параметры для слоистого перовскита Sr2VO4 и показано, что он расположен вблизи фазовой границы двух орбитально-запутанных и двух обычных антиферромагнитных ферро-орбитальных состояний. Показано, что, сильные корреляции в CuCu3Fe2Re2O12 приводят к перенормировке электронного спектра и образованию некогерентных состояний вблизи уровня Ферми. Таким образом, применение расчетов электронной структуры из первых принципов в методе DFT+DMFT однозначно указывает на важность многочастичных эффектов в этом соединении. Продемонстрирована необходимость учета пустых s-состояний около уровня Ферми при описании магнитных свойств соединений переходных металлов. В частности, в новой перовскитной фазе HgMnO3 непрямое обменное взаимодействие через пустые 6s-состояния ртути играет решающую роль в экспериментально установленном подавлении температуры магнитного перехода.

Публикации