Магнетизм в среднем поле и фрустрация спинов в двойном перовските с композиционной сложностью

Почему смешивание металлов может создавать новые магниты

Магнитные материалы обычно опираются на упорядоченные, повторяющиеся атомные структуры, поэтому заполнение кристалла множеством различных элементов может показаться рецептом хаоса. В этом исследовании показано, что тщательно спроектированный оксид, состоящий из пяти разных редкоземельных элементов, по-прежнему ведёт себя как хорошо упорядоченный магнит и затем при более низких температурах переходит в более неупорядоченное, стеклообразное магнитное состояние. Работа помогает понять, как магнетизм выживает в химически «грязных» материалах, и указывает путь к созданию магнитов с настраиваемыми свойствами.

Создание сложного кристалла

Исследователи сосредоточились на семействе оксидов, называемых двойными перовскитами, где атомы никеля и марганца размещаются в регулярной шахматной сетке, окружённой ионами редкоземельных элементов. В новом соединении, обозначенном как (La0.4Nd0.4Sm0.4Gd0.4Y0.4)NiMnO6, сеть никеля и марганца остаётся упорядоченной, но каждая окружающая позиция может содержать любой из пяти разных редкоземельных атомов. Такое намеренное смешение создаёт большой разброс ионных размеров — ситуацию, часто называемую высокой энтропией или композиционно сложной — что, как ожидают, искажает кристалл и нарушает магнитные взаимодействия. Чтобы проверить, может ли сохраниться чистое магнитное состояние, они выращивали тонкие плёнки этого материала на подложке из стронцийтионата методом импульсного лазерного осаждения и подтвердили гладкие, однокристаллические слои с помощью рентгеновской рефлектометрии и дифракции. Оптические измерения показали, что плёнка является электрическим изолятором с шириной запрещённой зоны, похожей на родственные, менее неупорядоченные материалы.

Сильный магнетизм с точки зрения усреднённой модели

Несмотря на сильное смешение редкоземельных атомов, плёнки демонстрируют устойчивую ферромагнитность: при температурах ниже примерно 150 К магнитные моменты выстраиваются в одном направлении. Эта температура перехода близка к таковой у более простого сродственного соединения, содержащего самарий, что указывает на то, что решающим фактором является средний размер ионов редкоземельных элементов, контролирующий углы связи между никелем, кислородом и марганцем. Данные магнитной восприимчивости хорошо описываются стандартной моделью среднего поля, в которой каждый магнитный момент чувствует лишь усреднённое внутреннее поле от соседей, а подобранная температура Кюри–Вайса почти равна наблюдаемой температуре перехода. Измерения рентгеновского поглощения подтвердили ожидаемые состояния окисления никеля и марганца, поэтому основное ферромагнитное взаимодействие между Ni2+ и Mn4+ сохраняется даже в этой химически сложной среде.

Вибрации показывают скрытый магнитный порядок

Чтобы исследовать связь магнетизма с кристаллической решёткой, команда использовала рамановскую спектроскопию, отслеживая небольшие сдвиги в частотах колебаний решётки. Ключевой растягивающий мод колец Ni–O–Mn обычно следует плавной, ангармонической температурной тенденции. В новой плёнке этот мод резко «мягчает» ниже температуры магнитного перехода, отклоняясь от чисто колебательной модели. Такое ослабление повторяет квадрат намагниченности, как и предсказывает описание в среднем поле, где спин-спиновые корреляции изменяют восстанавливающие силы, действующие на атомы. Близкое согласие показывает, что простая модель усреднённого поля описывает не только температуру перехода, но и то, как магнитный порядок обратным образом влияет на колебания решётки в ферромагнитной фазе.

Когда порядок уступает место фрустрации

При ещё более низких температурах картина меняется. Около 35 К в кривых намагниченности появляются тонкие аномалии, и описание в среднем поле перестаёт работать. Эксперименты памяти, при которых образец охлаждают в небольшом магнитном поле, удерживают при фиксированной температуре, а затем снова нагревают, выявляют характерный провал на кривой намагниченности ровно в точке, где делали остановку. Этот тип магнитной памяти — классический признак состояния спинового стекла, в котором конкурирующие взаимодействия замораживают магнитные моменты в неупорядоченном рисунке. Авторы связывают эту фрустрацию с двумя основными факторами: антисайт-дисордером, когда локально меняются местами соседи Ni и Mn, и сложными связями между разными магнитными редкоземельными ионами и сетью Ni–Mn. Важно, что температурный масштаб стеклообразного поведения совпадает с масштабом взаимодействий редкоземельных ионов, что указывает на ведущую роль беспорядка среди этих ионов.

Проектирование будущих сложных магнитов

Результаты показывают, что дальнодействующий ферромагнитный порядок может оставаться удивительно устойчивым даже в сильно смешанном, высокоразнообразном оксиде, причём температура перехода во многом задаётся простыми усреднёнными значениями размеров ионов. В то же время микроскопические детали взаимодействий отдельных атомов становятся критическими при низких температурах, где они могут порождать фрустрированную, стеклообразную магнетизм. Для неспециалиста ключевое сообщение таково: химический беспорядок не обязательно разрушает магнитный порядок — при разумном подходе он превращается в мощный инструмент проектирования, позволяющий настраивать, когда и как материал становится магнитным, и даже создавать более экзотические фазы, которые могут пригодиться в будущей спиновой электронике и многофункциональных устройствах.

Цитирование: Bhattacharya, N., Dokala, R.K., Chowdhury, S. et al. Mean field magnetism and spin frustration in a double perovskite oxide with compositional complexity. Commun Mater 7, 130 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01135-8

Ключевые слова: оксиды высокого энтропийного состава, магнетизм двойных перовскитов, спиновое стекло, спин-фононное взаимодействие, ферромагнитный изолятор