Сотрудники Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН) провели исследование, посвящённое так называемому кинетическому суперобмену в системах с псевдо-эффектом Яна–Теллера, и раскрыли взаимосвязь между магнитными, структурными и орбитальными характеристиками материалов. Результаты опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Внутри вещества, на уровне электронов и атомов, разворачиваются тонкие процессы. Электроны в твёрдом теле взаимодействуют между собой и с атомными ядрами, образуя согласованную систему. Именно это согласованное поведение электронов придаёт веществам особые специфические свойства, которые интересны не только сами по себе как предмет научного исследования, но и в силу обширного практического использования этих свойств. Магнетизм железа и редкоземельных металлов — яркий пример такого эффекта: он рождается как результат сложного взаимодействия электронов внутри атомов и между ними, так называемого обменного взаимодействия.

Ключевыми объектами исследования стали два физических явления между которыми авторы работы обнаружили связь. Первое — суперобмен. Этот механизм проясняет, каким образом два магнитных иона, разделённых немагнитным атомом (лигандом), «ощущают» друг друга и выстраивают свои магнитные моменты — либо параллельно (ферромагнитный порядок), либо антипараллельно (антиферромагнитный порядок). Правила Гуденафа–Канамори, сформулированные десятилетия назад, позволяют предсказать тип магнитной связи, отталкиваясь от заполнения электронных орбиталей.

Второе явление — псевдо-эффект Яна–Теллера (ПЭЯТ). Он проявляется, когда электронное состояние иона близко к вырождению — то есть две или более орбиталей обладают почти одинаковой энергией. Подобная система становится вибронно неустойчивой: она стремится понизить свою энергию посредством структурных искажений, вызываемых, например, смещением соседних атомов. Эти искажения смешивают (термин квантовой механики) орбитали, снимая псевдовырождение и стабилизируя структуру, причем так, чтобы при этом выстроить электронные орбитали энергетически благоприятным образом при данной структуре. Важно, что этот эффект чувствителен к спину электронов, что открывает путь к управлению магнитными свойствами.

Исследователи поставили вопрос: что случится, если энергия суперобмена, определяющая магнитное взаимодействие, окажется сопоставима с малым энергетическим зазором между псевдовырожденными орбиталями и силами, вызывающими структурные искажения? Оказалось, что в таких условиях суперобмен и ПЭЯТ вступают в сложное взаимодействие, порождая новые физические эффекты.

Расчёты демонстрируют, что в зависимости от соотношения между величинами суперобмена и ПЭЯТ в системе реализуется одно из двух состояний:

• Ферродистортивное антиферромагнитное состояние: синхронное (атомы движутся в одной фазе) искажение положения ионов и установление антиферромагнитного порядка.
• Антиферродистортивное ферромагнитное состояние: асинхронное (атомы движутся в противоположных фазах) смещение ионов при параллельной ориентации спинов.

Эти состояния схематически представлены на рисунке, на котором рассчитанная энергия пары ионов показана как функция двух колебательных координат (то есть поверхность) симметричного и антисимметричного типов. Одновременно можно увидеть результирующие искажения атомных конфигураций и соответствующие им спины системы. Одно из интересных предсказаний работы — возможность изменения общего спина пары ионов под влиянием колебаний атомов, то есть в условиях динамического ПЭЯТ.

В более широком контексте это исследование предлагает использовать простую пару ионов как модель для изучения коллективных эффектов в сложных кристаллах, таких как перовскиты. Оно демонстрирует, насколько тесно переплетены магнитное упорядочение, структурные деформации и орбитальная электронная структура.

Полученные результаты открывают возможности направленного проектирования новых материалов, где магнитным состоянием можно управлять через структурные искажения, вызванные внешними воздействиями — давлением или электрическим полем.

Работа также представлена в качестве приглашнного пленарного доклада на 26-й международной конференции по эффекту Яна-Теллера Vibronic Coupling and Jahn-Teller Effects in Molecules, Solids, and Nanoscale Materials, которая была проведена университетом Йорка (Торонто, Канада)  и университетом Луисвилла (США) в мае 2025 года.

Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.