Ванадиевый материал меняет магнитные свойства через перестройку межатомных связей
Исследователи из японских университетов обнаружили, что в соединении Li₀.₅VS₂ необычные связи между атомами ванадия перестраиваются при охлаждении, кардинально меняя магнитные свойства материала, но сохраняя его электропроводность.
Обычно химические связи определяют строение и свойства материала. Но новое исследование показывает, что между соседними атомами металла могут образовываться особые связи, которые перестраиваются при изменении температуры. Эти перестройки приводят к необычному поведению электронных и магнитных свойств вещества.
Две фазовых переходов в одном материале
Исследование, опубликованное в журнале Chemistry of Materials, возглавили ассистент-профессор Кейта Кодзима из Университета Окаямы и профессор Наоюки Катаяма из Токийского университета. Они изучали соединение Li₀.₅VS₂, которое ранее привлекло внимание тем, что это была единственная композиция, проявившая два различных магнитных фазовых перехода. При других значениях лития (0, 0,33 и 1) наблюдался только один переход.
Исследователи выявили два последовательных магнитных фазовых перехода, происходящих вблизи 345 и 140 K (кельвинов).
Три состояния структуры при охлаждении
При высоких температурах атомы ванадия расположены треугольником. При промежуточных температурах они образуют зигзагообразные цепи, и материал развивает более локализованный магнитный отклик. При низких температурах атомы ванадия смещаются снова, их связи перестраиваются, и магнитный отклик резко снижается.
Электропроводность сохраняется во всех фазах
Ключевое открытие: измерения электрического сопротивления показали, что соединение остаётся металлическим во всех трёх фазах. Промежуточная фаза особенно необычна, так как сочетает электрическую проводимость с более локализованным магнитным откликом.
Электронодефицитные связи
При промежуточной температуре некоторые атомы ванадия сближаются, образуя зигзагообразные цепи. Расстояния V–V сокращаются примерно на 0,2 Å, указывая на формирование связей. Однако электронов недостаточно для полного заполнения всех этих связей. Расчёты показывают, что эти электронодефицитные σ-связи занимают только частично. Такое необычное связывание позволяет V–V связям образовываться, сохраняя электрическую проводимость материала.
Переход в димеры при охлаждении
При низких температурах зигзагообразные цепи распадаются на более локализованные V–V пары, называемые димерами. Изменение в связывании сопровождается резким падением магнитного отклика — локализованные магнитные моменты, присутствовавшие при промежуточных температурах, почти полностью подавляются. Однако материал остаётся металлическим, потому что некоторые электроны продолжают двигаться через орбитали ванадия, не полностью участвующие в димерных связях.
Путь к управляемым материалам
Компьютерные расчёты показали, что электронные взаимодействия стабилизируют V–V димеры при низких температурах, а связь Хунда способствует магнитному отклику промежуточной фазы. Исследователи предполагают, что если температуры переходов и состояния связей удастся контролировать через химический состав, замену элементов или давление, это может стать основой для материалов, электрические и магнитные свойства которых можно переключать в несколько этапов. Такие материалы могут быть полезны для датчиков, переключающих устройств и других функциональных материалов.
Это данные исследования, а не медицинский совет.
