Вода дирижирует магнитным оркестром в аналогах берлинской лазури ✛
Кристалл аналога берлинской лазури похож на каркасный дом с пустыми комнатами: ионы металлов стоят по углам, а между ними натянуты цианидные мостики. Внутри этих комнат могут жить молекулы воды, и от того, сколько их, зависит поведение всего дома. В работе исследователи заполнили комнаты по-разному для нескольких соединений и посмотрели, как меняется магнитный порядок.
При нулевом поле магнитные моменты марганца выстраиваются в частично фрустрированную структуру, где спины не могут договориться друг с другом. Но стоит приложить поле в 1,3 тесла, сравнимое с полем медицинского томографа, как моменты перестраиваются в коллинеарное ферримагнитное состояние. Тот же переход происходит, если просто высушить кристалл: вода уходит, и спины меняют свою конфигурацию.
Модель Гейзенберга показывает, что причина в почти точной компенсации между антиферромагнитным взаимодействием Mn–Fe и геометрически фрустрированным взаимодействием Mn–Mn на гранецентрированной кубической подрешётке марганца. Это помещает MnFe вблизи точки магнитной компенсации, где малейшее воздействие переключает состояние.
Раньше в XMCD-экспериментах MnFe вёл себя загадочно: намагниченность не насыщалась даже в поле 7 Тл. Теперь ясно, что измерения проводились при 1,3 Тл, то есть уже в индуцированном полем состоянии, а не в нулевом поле. Работа впервые полностью определяет магнитные структуры с помощью нейтронной дифракции и связывает их с содержанием воды.
Это знание пригодится при разработке электродов для натрий-ионных батарей на основе аналогов берлинской лазури, где контроль воды критичен для стабильности и рабочих характеристик. Тот же каркасный дом с пустыми комнатами теперь можно настраивать, добавляя или убирая воду, чтобы получить нужное магнитное поведение.
Критическое поле перехода в MnFe составляет всего 1,3 тесла, что сравнимо с полем типичного магнита МРТ (1,5–3 Тл). Это означает, что магнитное состояние материала можно переключать с помощью обычного медицинского томографа. Другой интересный факт: обезвоживание MnFe приводит к тому же магнитному переходу, что и приложение поля, то есть вода действует как «химическое поле», управляющее спиновой структурой.
Идея переключения магнитных состояний материала с помощью небольшого внешнего воздействия (поля или удаления воды) перекликается с концепцией «умных материалов» из научной фантастики, например, с программируемой материей в романе «Алмазный век» Нила Стивенсона, где свойства вещества меняются по команде. В данном случае переключение происходит на уровне магнитной структуры, что может вдохновить на создание управляемых магнитных переключателей.