Магнитные слои живут своей жизнью: нейтронное рассеяние раскрыло необычный фазовый переход

Команда ученых из России и Египта разобралась, как в слоистых магнитных соединениях Y₁₋ₓTbₓMn₆Sn₆ происходит переход от магнитного порядка к беспорядку. Эти материалы интересны тем, что в них слои атомов марганца обладают сильным магнитным упорядочением внутри плоскости, а связи между слоями гораздо слабее. Из-за такой почти двумерной магнитной архитектуры переход при нагреве оказывается сложнее, чем у обычных трехмерных магнитов: система не просто «размагничивается» целиком, а распадается на флуктуирующие ферромагнитные плоскости.

Для исследования использовали малоугловое рассеяние нейтронов. Нейтронный пучок чувствителен к магнитным моментам и позволяет увидеть не отдельные атомы, а более крупные магнитные неоднородности, домены и флуктуации. Измерения провели для трех составов — без тербия и с добавкой тербия — в диапазоне от 260 до 400 К, выше и ниже критической температуры. В рассеянии удалось выделить три вклада: рассеяние на крупномасштабных магнитных доменах, брэгговский пик от несоразмерной магнитной структуры, период которой не совпадает с периодом кристаллической решетки, и рассеяние на критических флуктуациях намагниченности.

Оказалось, что критическая температура растет с добавлением тербия: около 300 К для чистого соединения, около 325 К для состава с x = 0,10 и около 353 К для x = 0,25. При этом сама магнитная структура меняется: в чистом YMn₆Sn₆ реализуется сложная двойная плоская спираль, а в допированных составах появляется ферримагнитная компонента и коническая спираль. Период несоразмерной структуры увеличивается с концентрацией тербия. Добавка тербия также меняет баланс магнитной анизотропии: конкурируют состояния с легкой осью и легкой плоскостью, поэтому система проходит через несколько магнитных конфигураций при изменении температуры.

Самое интересное — поведение выше критической температуры. Там магнитная структура распадается не на полностью независимые моменты, а на флуктуирующие ферромагнитные плоскости марганца. Иными словами, внутри плоскости магнитный порядок еще в значительной мере сохраняется, а между плоскостями согласованность уже теряется. Это придает магнитному фазовому переходу квазидвумерный характер. Размер областей, в которых магнитные моменты остаются согласованными, в чистом соединении ограничен примерно 14 Å, а в допированных — примерно 28 Å; при температуре около 400 К он падает до 4–5 Å, то есть практически до толщины одного слоя марганца. Ниже критической температуры критическое рассеяние быстро спадает, и формируется упорядоченная фаза с крупномасштабными магнитными доменами и несоразмерной спиновой структурой.

Работа важна для понимания физики слоистых магнитов: такие системы нельзя описывать простой трехмерной моделью, поскольку почти двумерные флуктуации и конкуренция анизотропии заметно усложняют фазовую картину. Это полезно и для будущих приложений, где магнитные слои и хиральные спиновые структуры могут использоваться в спинтронике, топологических и магнитоэлектронных устройствах.

Исследование выполнено сотрудниками Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт», Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, Объединенного института ядерных исследований и Центра ядерных исследований Управления по атомной энергии Египта.

Результаты опубликованы в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ).

Изображение на обложке: разработано Magnific