Дальнодействующий магнитный порядок при неупорядоченных ориентациях спинов в антимагнетике с высоким энтропийным содержанием

Когда беспорядок ведет себя как порядок

Магнитные материалы лежат в основе технологий — от хранения данных до будущих квантовых устройств, и традиционная точка зрения гласит, что чрезмерный атомный беспорядок разрушает их аккуратные дальнодействующие магнитные структуры. Это исследование опровергает такое ожидание, показывая, что сильно неупорядоченная «высокоэнтропийная» кристаллическая структура всё же может формировать устойчивую крупномасштабную магнитную картину — при этом каждый тип атомов сохраняет собственное предпочтительное направление, как будто на скоординированном собрании каждый участник чуть-чуть повёрнут по‑своему.

Смешивание многих металлов в одном кристалле

Материал, в центре этого исследования, называется HEPS3, что является сокращением от (Mn_1/4Fe_1/4Co_1/4Ni_1/4)PS₃. Он принадлежит семейству слоистых кристаллов, где металлические атомы располагаются на плоской сотоподобной решетке и удерживаются вместе слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями между слоями. В привычных родственниках этого семейства каждый кристалл содержит лишь один тип магнитного металла, и его спины (малые магнитные моменты, связанные с электронами) выстраиваются в регулярные паттерны. Напротив, HEPS3 совмещает четыре разных магнитных металла — марганец, железо, кобальт и никель — в равных долях, случайным образом разбросанных по сотам. Такая крайняя случайность, или «высокая энтропия», обычно ожидалась бы как фактор, разрушающий дальнодействующий магнитный порядок и приводящий к беспорядочному, стекловидному состоянию.

Дальнодействующий порядок в море случайностей

Чтобы понять, что же на самом деле делают спины, исследователи использовали два мощных и дополняющих друг друга метода. Нейтронная дифракция, чувствительная к коллективным магнитным структурам по всему кристаллу, показала, что при температурах ниже примерно 72 кельвина (приблизительно –200 °C) в HEPS3 возникает трёхмерный «зигзагообразный» антиферромагнитный порядок: спины выстраиваются в цепочки, где соседние цепочки ориентированы в противоположных направлениях. Удивительно, но это упорядоченное состояние сосуществует с более слабо связанными двумерными магнитными слоями, которые сохраняются до несколько более высоких температур. Измеренные магнитные пики были острыми в плоскости сот, что демонстрирует, что зигзагообразный паттерн простирается на большие расстояния, несмотря на то, что сами атомы расположены случайным образом.

Слушая каждый элемент по‑отдельности

Нейтронное рассеяние усредняет вклад всех атомов и потому не позволяет отличить, какой металл что делает. Для получения покомпонентного представления команда обратилась к резонансному мягкому рентгеновскому рассеянию, которое можно настроить на специфические энергетические уровни марганца, железа, кобальта или никеля. Последовательно выбирая каждый элемент, они показали, что все четыре участвуют в одном и том же магнитном переходе при одинаковой температуре. Однако более тонкая картина появилась при исследовании зависимости рассеянных рентгеновских лучей от поляризации и поворота образца. Эти признаки указали на то, что спины четырёх металлов не совпадают по направлению внутри кристалла. Вместо этого каждый элемент принимает собственный предпочтительный угол наклона в плоскости, определяемой кристаллографическими осями, отражая свою внутреннюю магнитную «индивидуальность».

Компромисс между локальными предпочтениями и коллективной согласованностью

Исследователи интерпретируют это необычное состояние как компромисс между двумя конкурирующими тенденциями. С одной стороны, каждый ион обладает собственной «анизотропией одноионного типа» — врождённым предпочтением направления спина, определённым его электронной структурой и локальной средой. С другой стороны, обменные взаимодействия способствуют координированному выравниванию соседних спинов, чтобы снизить общую энергию. Если бы обмен был очень слабым, каждый элемент следовал бы лишь своей анизотропии, что привело бы к локальному порядку без общей согласованной структуры. Если бы обмен полностью доминировал, все спины были бы вынуждены направиться в одно общее направление. HEPS3 оказывается посередине: спины формируют общий зигзагообразный рисунок по решётке, но каждый тип металла сохраняет слегка отличную ориентацию внутри этого рисунка. В результате возникает дальнодействующий магнитный порядок без простого повторяющегося локального мотива и без привычной магнитной элементарной ячейки.

Почему этот экзотический магнит важен

Эта работа вводит новый тип магнитного состояния: устойчивый крупномасштабный антиферромагнитный порядок, собранный из многих различных, случайно расположенных магнитных элементов, чьи спины не полностью согласованы по направлению. Она показывает, что высокая конфигурационная энтропия, обычно считающаяся фактором, способствующим магнитной стекловидности, может напротив помочь стабилизировать необычный, но четко определённый порядок. Помимо того что это бросает вызов устоявшемуся представлению о влиянии беспорядка на магнетизм, результаты указывают на возможность целенаправленного проектирования высокоэнтропийных магнитов для настройки силы, направленности и размерности магнитных свойств. Это может открыть пути к созданию будущих магнитных и спинтронных материалов, где сложность рассматривается не как дефект, подлежащий устранению, а как мощный ресурс для использования.

Цитирование: Shen, Y., Zhang, G., Zhang, Q. et al. Long-range magnetic order with disordered spin orientations in a high-entropy antiferromagnet. Nat Commun 17, 3558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70184-x

Ключевые слова: магнит с высоким энтропийным содержанием, антиферромагнетизм, ориентация спинов, ван-дер-ваальсовые материалы, нейтронное и рентгеновское рассеяние