ОБЪЕКТ МОДЕЛИРОВАНИЯ — МАГНЕТИКИ

— Низкоразмерными называют системы, которые можно описывать не тремя, как мы привыкли, а меньшим числом координат. Это двумерные (слои), одномерные (цепочки) системы или же точечные объекты. Низкоразмерные системы представляют для науки не меньший интерес, чем трехмерные. О значимости их изучения свидетельствует в частности то, что Нобелевская премия по физике за 2016 г. была присуждена американцам Д. Таулесу, Д. Халдейну и Дж. Костерлицу за теоретическое объяснение необычных свойств двумерных сверхпроводников, сверхтекучих жидкостей, магнитных тонких пленок и цепочек. Изучение низкоразмерного магнетизма представляет как теоретический, так и практический интерес для разработки современных материалов и устройств спинтроники, сенсорной техники, наноэлектроники.

С точки зрения фундаментальной науки низкоразмерные магнетики существенно отличаются от трехмерных систем. Зачастую в них невозможно установление никакого дальнего магнитного порядка (ферро- или антиферромагнетизма), но могут появляться магнитные вихри или в области низких температур может реализоваться особое состояние вещества — спиновая жидкость. В последнее десятилетие ведутся активные работы по созданию памяти на основе таких вихрей, а спиновые жидкости могут использоваться в области квантовых вычислений.

— Да, все оборудование — компьютер и ручка. Мы занимаемся моделированием из первых принципов, т.е. основываясь на фундаментальных физических законах. О веществе, которое моделируется, известно лишь то, из каких атомов оно состоит и как эти атомы расположены. Мы можем смоделировать различные свойства этого вещества — магнитные, спектральные, упругие, а иногда и его кристаллическую структуру, если она неизвестна. Одно из преимуществ компьютерного моделирования по сравнению с экспериментальными исследованиями заключается в том, что наши методы позволяют изучать сразу многие свойства вещества, а у экспериментаторов существует жесткая специализация: с помощью одной методики можно измерить магнетизм, с помощью другой — рентгеновский спектр и так далее. Другое нисколько не менее важное преимущество — это возможность «заглянуть внутрь» и понять, почему данный материал обладает именно такими свойствами. Если уж мы смогли смоделировать их, то, имея полную математическую модель, всегда можно разобраться, почему свойства именно такие и можно ли что-то сделать, чтобы их улучшить.

Объекты моделирования могут быть самыми разнообразными, но поскольку в Институте физики металлов традиционно изучают магнитные явления, то и нас интересуют прежде всего объекты, обладающие необычными магнитными свойствами.

Один из таких объектов — диоксид железа (FeO₂), который мы исследовали при поддержке гранта РНФ. До конца 2016 г. мы ничего не знали об этом веществе, в окружающей природе его нет, но при больших давлениях, около 100 гигапаскалей, и высоких температурах оно может появляться (химия высоких давлений значительно отличается от обычной). Более того, этот материал оказывается наиболее стабильным из всех оксидов железа! Мы предполагаем, что диоксид железа присутствует в нижней мантии Земли, на глубине примерно 1800 км, где такие давления существуют. В России это соединение не синтезировали, а в США и Китае недавно были получены первые экспериментальные свидетельства его существования.

Открытие нового оксида железа вызвало шквал публикаций в таких журналах, как «Nature», «Proceedings of the National Academy of Science» и других. Высказывается даже гипотеза, что диоксид железа мог быть одним из источников кислорода на нашей планете, без которого жизнь в нынешней форме была бы невозможна. В определенные геологические периоды за счет восходящих конвекционных потоков (так называемых плюмов) диоксид железа мог «всплывать» к поверхности Земли, где становился нестабильным, что и приводило к выделению кислорода и воды (в присутствии водорода). Идея о происхождении кислорода на Земле в результате геологических процессов может составить альтернативу общепризнанной сейчас теории, согласно которой источником кислорода на планете стали фотосинтезирующие организмы. Однако это только гипотеза.

— В случае диоксида железа наши расчеты помогли разобраться с его электронной структурой и магнитными свойствами. Например, хотя по правилам «школьной химии» валентность железа в этом соединении должна быть 4+, в действительности она 3+. Кроме того, мы показали, что по своим магнитным свойствам оно сильно отличается от других оксидов железа: у них, как правило, есть локальный магнитный момент, а у FeO₂ его нет. Информация о магнитных свойствах веществ, составляющих нижнюю часть мантии и ядро Земли, очень важна для геофизики.

Вообще физики-теоретики зачастую занимаются очень конкретными вещами. Например, разгадывают специфические загадки веществ или явлений. Именно такие «задачки» стимулируют построение новых теоретических моделей и концепций.

Есть такой редкий минерал калаверит, теллурид золота, получивший свое название по месту первого обнаружения в округе Калаверас (Калифорния, США). Он встречается еще в нескольких регионах Северной Америки, а также в Румынии и Австралии. В конце девятнадцатого века во время золотой лихорадки в Калгурли (Австралия) с калаверитом произошла забавная история. Поскольку на золото он не похож, его приняли за пирит и использовали для мощения улиц города. А когда разобрались, что он содержит золото, раскопали все дороги и аккуратно собрали его для переплавки.

Для нас калаверит интересен тем, что золото — вообще-то инертный металл — участвует в нем в образовании химической связи. А еще калаверит обладает несоразмерной кристаллической структурой. Если в обычных кристаллах можно выделить небольшую (кристаллографы говорят — элементарную) ячейку в кристаллической решетке и, повторяя ее, получить весь кристалл, то в калаверите атомы упорядочены, но в каждой следующей ячейке чуть смещены, и выделить небольшой повторяющийся фрагмент невозможно. Когда обычные кристаллы обрабатывают, они скалываются в соответствии с векторами, определяющими элементарную ячейку, а калаверит скалывается не по правилам, а «как попало». Для кристаллографов в свое время это было серьезной проблемой, над которой бились очень многие известные специалисты, включая дважды нобелевского лауреата Л. Полинга.

Похоже, с помощью моделирования мы нашли причину нестандартной кристаллической решетки калаверита. Дело, по-видимому, в том, что валентность ионов золота в разных местах этого кристалла разная, из-за чего возникают искажения кристаллической решетки. Поэтому кристалл калаверита и невозможно воссоздать повторением одного ее фрагмента. У этого минерала, помимо довольно высокого содержания золота, есть еще одно ценное свойство — под небольшим давлением он становится сверхпроводником.

— Мультиферроиками называют материалы, в которых сосуществуют одновременно несколько типов упорядочения, например, магнитное и сегнетоэлектрическое (упорядочены электрические диполи и имеется электрическая поляризация). Более того, в мультиферроиках эти упорядочения оказываются связанными между собой. В итоге можно менять их магнитные свойства электрическим полем или наоборот электрические — магнитным. Это открывает широкие перспективы применения таких материалов при записи информации (нет нужды иметь подвижные записывающие головки), в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля, в различных микроволновых устройствах и так далее.

В свое время в рамках гранта РФФИ-Урал мы изучали магнитные свойства пироксенов. Пироксены — это цепочечные силикаты, в которые могут включаться магнитные металлы – железо, марганец, хром и другие. Пироксены широко распространены на Земле, их месторождения имеются и на Урале. По некоторым оценкам до 20% (по объему) земной коры и верхней части мантии состоит из пироксенов. Это также один из основных минералов лунного грунта. Такие известные минералы, как жадеит и диопсид, которые используются в ювелирном деле, также принадлежат к классу пироксенов. Нам удалось теоретически предсказать, а немецким коллегам затем и экспериментально подтвердить, что по крайней мере некоторые из пироксенов, содержащие переходные металлы, являются мультиферроиками.

— Соответствовать мировому уровню всегда было непросто. Действительно во многих институтах, особенно в Москве, разъехались целые отделы. Но мне кажется, что в регионах — у нас в Екатеринбурге, в Казани, Новосибирске, Красноярске — все не настолько плохо. Не так много людей старшего поколения уехали, а некоторые из уехавших даже вернулись. Сейчас существует масса возможностей для молодых исследователей получить поддержку на самых разных этапах. Это и программа «Мой первый грант» РФФИ, рассчитанная на начинающих, и стипендии и гранты Президента РФ для тех, кто постарше, и целый набор конкурсов РНФ. Можно получить весьма приличное финансирование, которое в том числе позволяет постоянно участвовать в международных конференциях и активно общаться с зарубежными коллегами. Это обязательно нужно делать, чтобы представлять, чем сейчас занимается мировое научное сообщество, расширять свой кругозор. Как и во многих других областях, в физике существует мода, и в современном мире очень важно «держать нос по ветру». Именно в «горячих» областях зачастую получаются наиболее интересные результаты.