Les scientifiques de l'Université fédérale de l'Oural ont mené une étude dans laquelle ils ont découvert que l'un des oxydes de cuivre avec une structure d'un spinelle minéral rare-CuAl 2 O 4 —est un matériau doté de propriétés magnétiques et d'une structure inhabituelles en raison d'interactions spin-orbite importantes.

Les scientifiques ont décrit le processus et les résultats de la recherche dans l'article publié dans Examen physique B , la plus grande revue spécialisée au monde sur la physique du solide.

L'interaction spin-orbite est due à l'interaction électromagnétique du spin de l'électron avec le moment magnétique provoqué par la rotation des électrons autour d'un noyau. Le phénomène est essentiel aux systèmes 4D et 5D, qui sont basés sur les éléments des cinquième et sixième groupes du tableau périodique de Mendeleïev - de l'yttrium au cadmium et de l'hafnium au mercure, respectivement. CuAl 2 O 4 est un système 3D, car le cuivre appartient aux éléments 3D (du scandium au zinc dans le tableau périodique) pour lesquels l'interaction spin-orbite n'est généralement pas si cruciale. Cependant, il s'avère que dans le cas de c CuAl 2 O 4 , c'est essentiel. L'interaction spin-orbite entraîne non seulement les propriétés magnétiques, mais détermine également la structure cristalline du matériau.

Le fait est que la structure cristalline de presque tous les oxydes de cuivre connus (y compris les supraconducteurs à base de Cu à haute température et le sulfate de cuivre bien connu - CuSO 4 • 5H 2 O)-est considérablement déformée. Cependant, les tétraèdres d'atomes d'oxygène entourant les ions de cuivre dans CuAl 2 O 4 restent idéales jusqu'aux températures les plus basses. Ce fait a été découvert en 2017 par des chercheurs sud-coréens et américains, mais il n'est devenu possible de l'expliquer que récemment, à la suite de la recherche avec la participation de scientifiques d'Ekaterinbourg.

"Les distorsions dans les oxydes de cuivre sont causées par l'un des phénomènes physiques les plus fondamentaux, l'effet Jahn-Teller. C'est, En réalité, un phénomène très simple. Systèmes physiques, comme les gens, n'aime pas l'incertitude et essaie d'éviter les situations où les électrons sont incapables d'occuper un niveau d'énergie strictement déterminé, mais doivent choisir parmi ce qui est disponible. Il est facile de priver les électrons de cette liberté - il suffit de déplacer des atomes à partir de positions hautement symétriques, déformant ainsi le réseau cristallin, " co-auteur, le professeur Sergei Streltsov, Dr Sci. en Physique et Mathématiques, chef du Laboratoire UrFU de résonance électronique et nucléaire et de l'Institut de physique des métaux de la branche de l'Oural de l'Académie des sciences de Russie (IMP UB RAS) Laboratoire de théorie des systèmes de spin de faible dimension, explique.

Cependant, ça ne marche pas comme ça dans CuAl 2 O 4 :l'interaction spin-orbite interfère. Il détermine sur quelles orbites les électrons tournent et quelles énergies ils ont.

De façon intéressante, l'interaction spin-orbite préserve non seulement le réseau symétrique dans CuAl 2 O 4 , mais affecte également ses propriétés magnétiques. Les calculs théoriques effectués par Sergei Nikolaev (UrFU Academic Department of Theoretical Physics and Applied Mathematics) et Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) montrent que l'interaction spin-orbite provoque la torsion des spins. Par conséquent, dans un CuAl idéal 2 O 4 échantillon, dans la région des températures extrêmement basses, les vrilles ne s'alignent pas dans une direction, comme, par exemple, en fer ordinaire, mais doit former une soi-disant "spirale de rotation".

"La façon la plus simple de décrire une telle structure magnétique est par l'exemple d'une chaîne composée de spins, " dit Sergei Streltsov. " Si les spins sont alignés en parallèle, alors nous obtenons un ferromagnétique, en antiparallèle (c'est-à-dire alternant haut et bas), un antiferromagnétique. Et si chaque vrille est déviée progressivement du même angle par rapport au précédent, alors nous obtenons une spirale de rotation. C'est ce type d'ordre magnétique qui est attendu dans un échantillon parfait de CuAl 2 O 4 ."