Gli scienziati dell'Università Federale degli Urali hanno condotto uno studio in cui hanno scoperto che uno degli ossidi di rame con una struttura di un raro spinello minerale-CuAl ₂ oh ₄ —è un materiale con proprietà e struttura magnetiche insolite dovute a significative interazioni spin-orbita.

Gli scienziati hanno descritto il processo e i risultati della ricerca nell'articolo pubblicato su Revisione fisica B , la più grande rivista specializzata al mondo sulla fisica dello stato solido.

L'interazione spin-orbita è dovuta all'interazione elettromagnetica dello spin dell'elettrone con il momento magnetico causato dalla rotazione dell'elettrone attorno a un nucleo. Il fenomeno è essenziale per i sistemi 4d e 5d, che si basano sugli elementi del quinto e del sesto gruppo della tavola periodica di Mendeleev, dall'ittrio al cadmio e dall'afnio al mercurio, rispettivamente. CuAl ₂ oh ₄ è un sistema 3D, perché il rame appartiene a elementi 3d (dallo scandio allo zinco nella tavola periodica) per i quali l'interazione spin-orbita di solito non è così cruciale. Però, si scopre che nel caso di c CuAl ₂ oh ₄ , è fondamentale. L'interazione spin-orbita non solo determina le proprietà magnetiche, ma determina anche la struttura cristallina del materiale.

Il punto è che la struttura cristallina di quasi tutti gli ossidi di rame conosciuti (compresi sia i superconduttori a base di Cu ad alta temperatura che il noto solfato di rame-CuSO ₄ •5H ₂ O)—è considerevolmente distorto. Però, i tetraedri degli atomi di ossigeno che circondano gli ioni di rame in CuAl ₂ oh ₄ rimangono ideali fino alle temperature più basse. Questo fatto è stato scoperto nel 2017 da ricercatori sudcoreani e americani, ma è stato possibile spiegarlo solo di recente, come risultato della ricerca con la partecipazione degli scienziati di Ekaterinburg.

"Le distorsioni negli ossidi di rame sono causate da uno dei fenomeni fisici più fondamentali, l'effetto Jahn-Teller. Questo è, infatti, un fenomeno molto semplice. Sistemi fisici, come le persone, non amano l'incertezza e cercano di evitare situazioni in cui gli elettroni non sono in grado di occupare un livello di energia strettamente determinato, ma devi scegliere tra ciò che è disponibile. È facile privare gli elettroni di questa libertà:devi solo spostare gli atomi da posizioni altamente simmetriche, distorcendo così il reticolo cristallino, " co-autore Prof. Sergei Streltsov, Dott. Sci. in Fisica e Matematica, capo del Laboratorio UrFU di risonanza elettronica e nucleare e dell'Istituto di fisica dei metalli del ramo degli Urali del Laboratorio di teoria dei sistemi di spin a bassa dimensione dell'Accademia russa delle scienze (IMP UB RAS), spiega.

Però, non funziona così in CuAl ₂ oh ₄ :l'interazione spin-orbita interferisce. Determina in quali orbite gli elettroni ruotano e quali energie hanno.

interessante, l'interazione spin-orbita non solo preserva il reticolo simmetrico in CuAl ₂ oh ₄ , ma influenza anche le sue proprietà magnetiche. I calcoli teorici eseguiti da Sergei Nikolaev (Dipartimento accademico di fisica teorica e matematica applicata dell'UrFU) e Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) mostrano che l'interazione spin-orbita provoca la torsione degli spin. Di conseguenza, in un CuAl . ideale ₂ oh ₄ campione, in regioni con temperature estremamente basse, gli spin non si allineano lungo una direzione, come, Per esempio, in ferro ordinario, ma deve formare una cosiddetta "spirale di rotazione".

"Il modo più semplice per descrivere tale struttura magnetica è con l'esempio di una catena costituita da spin, " Sergei Streltsov dice. "Se gli spin sono allineati in parallelo, quindi otteniamo un ferromagnete, in antiparallelo (cioè alternando su e giù), un antiferromagnete. E se ogni giro viene gradualmente deviato con lo stesso angolo rispetto al precedente, quindi otteniamo la spirale di rotazione. È questo tipo di ordinamento magnetico che ci si aspetta in un campione perfetto di CuAl ₂ oh ₄ ."