Кристалл Fe₄Nb₂O₉ при охлаждении до -272°C превращается в магнитный узор, где атомные стрелки не выстраиваются в одну шеренгу, а расходятся веером. Это как если бы толпа людей замерла, но каждый смотрел в свою сторону, а не в затылок соседу. Такое расположение магнитных моментов называют неколлинеарным, и именно оно, как выяснилось, отвечает за необычное поведение материала.
Учёные облучали образец нейтронами и следили за отражёнными лучами. Нейтроны, в отличие от рентгена, чувствуют магнитные поля атомов, поэтому по узору отражений можно восстановить, куда направлены магнитные стрелки. Оказалось, что при 1,5 Кельвина (это -271,65°C) в кристалле появляется заметная составляющая магнитного момента вдоль вертикальной оси, а сами моменты образуют антиферромагнитную структуру — соседние атомы смотрят в противоположные стороны, но не строго противоположно, а под углом.
Такая структура объясняет, почему Fe₄Nb₂O₉ так сильно реагирует на магнитное поле изменением диэлектрической проницаемости. Когда поле поворачивает магнитные стрелки, кристаллическая решётка слегка деформируется, и материал меняет свои электрические свойства. Это явление называется магнитоэлектрическим эффектом, и оно открывает путь к устройствам, где магнитное поле управляет электрическим током без проводов.
Теперь, зная точный магнитный узор, инженеры могут подбирать условия роста кристаллов, чтобы усилить нужный эффект. Возможно, такие материалы появятся в датчиках магнитного поля, энергонезависимой памяти или элементах, преобразующих вибрации в электричество.
Fe₄Nb₂O₉ — один из немногих материалов, у которых магнитный переход происходит при температуре выше комнатной, поэтому его можно использовать в обычных условиях, а не только в лабораторном холодильнике.