Магнитный оркестр из осадков: как наночастицы Fe6GeTe2 задают рекордную температуру Кюри ✛
Представьте оркестр, в котором скрипки и трубы играют разные партии, но вместе создают мощное звучание. В кристалле слоистого магнетика Fe5GeTe2, легированного никелем, роль таких инструментов берут на себя крошечные области другой фазы — нановыделения Fe6GeTe2. Именно они, а не сам никель, отвечают за то, что материал остаётся магнитным при температуре 478 кельвинов, то есть при 205 градусах Цельсия. Это самая высокая температура Кюри среди объёмных ван-дер-ваальсовых ферромагнетиков.
Долгое время было непонятно, почему добавление никеля, который сам по себе в этой системе немагнитен, поднимает температуру Кюри более чем на 170 кельвинов, хотя общая намагниченность при этом падает. Авторы работы рассмотрели кристалл под разными углами: просветили его пучком электронов в сканирующем просвечивающем микроскопе, измерили дифракцию рентгеновских лучей на синхротроне, сняли карты намагниченности с разрешением около 10 нанометров и даже заглянули в спиновую структуру электронных зон с помощью спин-разрешённой фотоэмиссии. Оказалось, что в богатых железом доменах все позиции железа, включая обычно полупустую Fe(1), заполнены почти полностью. Это и есть фаза Fe6GeTe2, которая в чистом виде находится на грани стабильности и до сих пор выращивалась только эпитаксиально с температурой Кюри на 25% ниже.
Почему же фаза Fe6GeTe2 выделяется самопроизвольно, а не образует однородный сплав? Расчёты из первых принципов показали, что замещение никелем позиции Fe(1) энергетически выгоднее, чем Fe(3), на 62 мэВ/ф.е. А при концентрациях никеля выше 20% кластеризация атомов никеля становится предпочтительнее гомогенного распределения. Иными словами, атомы никеля «собираются в кучки», оставляя области чистого Fe6GeTe2, которые деформация со стороны богатых никелем доменов стабилизирует. Параметр решётки c для богатых железом доменов на 2% больше, чем для богатых никелем, а поля деформаций ориентированы под углом 60° между доменами.
Теперь оркестр звучит слаженно. Раньше было непонятно, почему добавление никеля в Fe5GeTe2 повышает температуру Кюри до рекордных 478 K, хотя общая намагниченность падает, и какова роль наблюдаемого фазового расслоения. Теперь ясно: высокая температура Кюри возникает из-за нановыделений фазы Fe6GeTe2, стабилизированных деформацией, а внутри этой фазы разные позиции железа разделяют функции. Этот механизм открывает путь к атомной инженерии ван-дер-ваальсовых магнитных металлов через управление нановыделениями, по аналогии с классическими металлическими сплавами, где нановыделения давно используются для управления свойствами. Практическая польза уже видна: метод управления нановыделениями можно использовать для создания ван-дер-ваальсовых магнетиков с заданной температурой Кюри и коэрцитивной силой, что важно для спинтроники и магнитной памяти.
Температура Кюри 478 K в (Ni0.36Fe0.64)5.38GeTe2 — самая высокая среди объёмных ван-дер-ваальсовых ферромагнетиков, что превышает температуру Кюри чистого никеля (627 K) почти на 75%, хотя никель в этой системе сам по себе немагнитен. Полученная фаза Fe6GeTe2 в чистом виде была предсказана как находящаяся на границе термодинамической стабильности, и до сих пор её удавалось вырастить только эпитаксиально с температурой Кюри на 25% ниже, чем в нановыделениях.
Идея нановыделений, которые стабилизируют необычную фазу и придают материалу рекордные свойства, перекликается с концепцией 'умной пыли' из научной фантастики, где микроскопические частицы коллективно формируют макроскопический отклик. В романе Станислава Лема 'Непобедимый' самоорганизующиеся микрочастицы создают сложное поведение, подобно тому как нановыделения Fe6GeTe2 управляют ферромагнетизмом всего кристалла.