Исчезающий упорядоченный момент в фрустрированном антиферромагнетике с треугольной решеткой CuNdO2

Магнетизм, который почти исчезает

Большинство магнитов проявляют свои свойства благодаря крошечным атомным магнитам, которые выстраиваются и дают заметный эффект. В этом исследовании учёные обнаружили материал, в котором эти микроскопические магнитные моменты действительно упорядочиваются на длинных расстояниях, но привычный магнитный сигнал практически невидим. Этот любопытный случай, найденный в соединении CuNdO2, показывает, как геометрия кристалла и предпочтительные направления атомных магнитов могут сговориться, чтобы скрыть порядок на виду.

Треугольная площадка для атомных магнитов

CuNdO2 состоит из плоских повторяющихся слоёв. В одних слоях находятся атомы неодима, каждый из которых несёт небольшой магнитный момент; между ними расположены медные слои, не вносящие вклад в магнитные свойства. Сверху видно, что атомы неодима образуют правильную треугольную сетку. Когда соседние моменты предпочитают направляться в противоположные стороны, такая треугольная геометрия делает невозможным удовлетворить все предпочтения одновременно: как бы ни расположить два угла, третий оказывается «фрустрирован». Во многих материалах с треугольной решеткой этот конфликт даёт необычные состояния и иногда препятствует образованию упорядоченности даже при очень низких температурах.

Подсказки из тонких тепловых и спиновых сигналов

Чтобы узнать, что происходит в CuNdO2 при охлаждении, исследователи измеряли, как меняются намагниченность и теплоёмкость образца с температурой. В обоих измерениях проявилась острая особенность примерно при 0,78 кельвина, менее чем на один градус выше абсолютного нуля, указывающая на то, что атомные магнитные моменты коллективно переходят в упорядоченное состояние. Независимый метод — релаксация спина мюона (muSR), чувствующий локальные магнитные поля внутри образца, — также зафиксировал явное изменение при той же температуре. В сумме эти методы почти не оставляют сомнений, что возникает некоторая форма дальнего магнитного порядка.

Скрытая структура с почти нулевым видимым моментом

Удивительно, но метод, который обычно очень четко видит магнитный порядок — нейтронная дифракция — не обнаружил новых магнитных пиков ниже температуры перехода. Обычно это означало бы либо отсутствие порядка, либо более экзотический тип «скрытого» упорядочения, не связанного с обычными магнитными диполями. Чтобы разгадать эту загадку, команда изучила, как окружение атомов неодима формирует их магнитные свойства, используя неупругое нейтронное рассеяние для картирования расщепления энергетических уровней атома в кристалле. Этот анализ показал, что каждый момент неодима сильно предпочитает направляться перпендикулярно плоским слоям, словно компасная стрелка, стоящая вертикально (тенденция, близкая к модели Изинга), и имеет лишь очень маленькую составляющую в плоскости.

Как фрустрация выбирает мягкий компромисс

Треугольная планировка делает чрезвычайно трудным расположение этих моментов, склонных к выходу из плоскости, так, чтобы удовлетворить все их антиферромагнитные связи. Система находит хитрый выход: вместо того чтобы упорядочить большие вертикальные компоненты, она упорядочивает гораздо меньшие боковые компоненты, которые меньше страдают от геометрического конфликта. Нейтронные измерения на очень низких энергиях выявили слабое коллективное колебание спинов — спиновую волну — возникающую только ниже температуры упорядочивания. Моделируя эти возбуждения с помощью простой модели взаимодействий на треугольной решетке, исследователи пришли к выводу, что крошечные внутриплоскостные компоненты моментов образуют хорошо известную 120-градусную структуру, при которой три соседних спина направлены под равными углами по кругу и в значительной степени компенсируют друг друга.

Почему этот почти невидимый порядок важен

В результате получается высоко упорядоченное магнитное состояние, суммарный видимый момент которого резко уменьшен и находится ниже порога чувствительности стандартных дифракционных методов. CuNdO2 демонстрирует, как сильные направленные предпочтения атомных магнитов в сочетании с фрустрированной решеткой могут порождать дальний порядок, который обычным инструментам трудно обнаружить. Эта работа предполагает, что другие материалы на базе редкоземельных элементов с похожими свойствами также могут содержать «исчезающие» упорядоченные моменты, и что понимание их тонких спиновых схем станет ключом к открытию новых видов магнитного поведения в квантовых материалах.

Цитирование: Gaudet, J., Reig-i-Plessis, D., Wen, B. et al. Vanishing ordered moment in the frustrated triangular lattice antiferromagnet CuNdO₂. npj Quantum Mater. 11, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00854-y

Ключевые слова: фрустрированная магнетизм, треугольная решетка, магниты редкоземельных элементов, квантовые материалы, анизотропия спина