Международная группа ученых провела теоретическое и экспериментальное исследование соединений лантаноидов с ферромагнитными свойствами, сосредоточив внимание на материале LaCo₂P₂. Исследование изучало взаимодействие электронов с бозонами как в объеме этого кристалла, так и на его поверхности с целью более точно определить взаимосвязь между объемными и поверхностными свойствами LaCo₂P₂, а также глубже понять необычные свойства подобных систем. Работа опубликована в журнале Advanced Physics Research.
Отметим, что материалы с лантаноидами более 60 лет привлекают внимание ученых благодаря их необычным магнитным свойствам. Эти соединения обладают не только интересным электронным строением, но и способностью изменять магнитные свойства за счет варьирования их химического состава. Исследование взаимодействий между электронами, магнитными возбуждениями и фононами в таких системах открывает широкие перспективы как для фундаментальной физики, так и для разработки новых материалов и устройств для прикладного использования.
Последние достижения в области многослойных систем на основе железосодержащих материалов и сложных соединений открыли пути для дальнейшего изучения научных и промышленных приложений, таких как высокотемпературная сверхпроводимость.
Рисунок 1. Диаграмма, изображающая свойства соединений переходных металлов. Источник: Advanced Physics Research.
Группа физиков из МФТИ, Санкт-Петербургского университета, МИСиС, ИФПМ СО РАН в сотрудничестве с иностранными коллегами подробно и систематично исследовала электрон-бозонные взаимодействия в соединениях вида LnCo2P2, где Ln — это лантаноид, Co — кобальт, P — атом фосфора. Исследователям удалось получить уникальные результаты, касающиеся воздействия электрон-бозонных взаимодействий на электронную структуру этих материалов. В обсуждаемой работе приведены детальные исследования для материала LaCo₂P₂. В работе использовались методы фотоэлектронной спектроскопии с разрешением по квазиимпульсу (ARPES), а также теоретические расчеты на основе теории функционала плотности (DFT). Применение ARPES позволило исследовать электроны, расположенные вблизи поверхности материала, что обеспечило получение ценной информации об особенностях зонной структуры и поверхностных свойствах. Уникальность применения ARPES заключается в возможности выявлять как объемные, так и поверхностные электронные состояния, что позволяет описывать свойства, присущие как объему, так и поверхности кристалла. Расчеты DFT, в свою очередь, предоставили возможность рассчитать электронную структуру из первых принципов и смоделировать взаимодействия между электронами, фононами и магнонами.
Рисунок 2. Кристаллическая и электронная структура LaCo2P2. a) Тетрагональная кристаллическая структура LaCo2P2 с возможной плоскостью скола между слоями P и La, выделенной серым цветом. b) СТМ-изображение, иллюстрирующее топографию P-терминированной поверхности сколотого образца, полученное при 4,3 К. c) Карта поверхности Ферми, полученная с помощью измерений ARPES с P-терминированной поверхности . Пунктирный квадрат обозначает зону Бриллюэна поверхности. d) Расчетная изоэнергетическая карта поверхностной электронной структуры вблизи уровня Ферми. Более темный цвет соответствует более высокой локализации состояний в четырех самых верхних атомных слоях. Источник: Advanced Physics Research.
Результаты исследования продемонстрировали, насколько существенно изменяются электронная и магнитная структура материала, а также электрон-бозонные взаимодействия на поверхности по сравнению с объемом ферромагнитного обЪекта. Авторам удалось выявить изменения свойств в отдельных атомных слоях, прилегающих к поверхности. В частности, было обнаружено, что магнитное упорядочение атомов кобальта, наблюдаемое в объеме, нарушается на поверхности. Предположительно это связано с высокой чувствительностью магнитного момента кобальта во втором атомном слое к расстояниям прилегающих атомных слоев. Исследование показало, что даже незначительные изменения расстояний между атомами фосфора (P) и кобальта (Co) могут существенно повлиять на магнитный момент, изменяя как его величину, так и направление, которое может кардинально измениться вплоть до противоположного. Эти вариации расстояний сравнимы с амплитудами колебаний атомов, что подчеркивает важность роли фононов, квантов колебаний кристаллической решетки, в определении магнитных свойств поверхности материала.
Данные, полученные с помощью ARPES, показали, что характерный излом в дисперсии объемной зоны «3» значительно сильнее, чем в поверхностной зоне «2» вблизи уровня Ферми. Это объясняется тем, что электрон-фононное взаимодействие внутри кристалла значительно сильнее, чем на его поверхности. Это заключение также подтверждается результатами численного моделирования.
Рисунок 3. Анализ электрон-фононной связи в приповерхностной области ферромагнетика LaCo2P2. a) Данные ARPES, полученные вдоль направления . Действительная (b) и мнимая (c) части собственной энергии Σ( E ) для объемной зоны «3». d,e) То же для поверхностной зоны «2». Пунктирные линии демонстрируют модельную функцию Элиашберга. Источник: Advanced Physics Research.
«Мы уверены, что результаты наших исследований помогут глубже понять и выявлять сложные взаимодействия электронов с магнонами и фононами в магнитноупорядоченных системах не только внутри кристаллов, но и на их поверхностях, которые могут быть представлены различными слоями атомов. Эти результаты важны для разработки и создания нетривиальных гетероструктур, в которых электрон-бозонные взаимодействия могут изменяться от слоя к слою, существенно влияя на магнитные и другие свойства структур. Для практического применения и надежного контроля свойств новых нанообъектов такая информация чрезвычайно важна», — рассказал Дмитрий Усачёв, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ .
Проведенные исследования, отработанные методики и полученные результаты открывают новые горизонты для изучения сложных взаимодействий в материалах, содержащих магнитно активные d- и f-орбитали. Полученные данные могут быть широко использованы для моделирования новых систем с уникальными свойствами, а также в области квантовых материалов, что открывает перспективы для дальнейших исследований.
Результаты исследований в этой области могут быть применены для разработки высокоэффективных магнитных сенсоров, квантовых вычислений, создания новых материалов с уникальными магнитными и электрическими свойствами, которые потенциально могут быть использованы в электронике и других смежных областях.
Опубликованная работа представляет собой лишь один из множества шагов на пути к раскрытию сложных взаимодействий в материалах, которые могут изменить наш подход к современным технологиям.
Исследования проведены при поддержке Министерством науки и высшего образования Российской Федерации МегаГранта № 075-15-2024-632
В работе принимали участие ученые из МФТИ, МИСИС, СПбГУ, Института физики прочности и материаловедения РАН, а также их иностранные коллеги из Германии, Испании и Австрии.
