Работа стоит на отшибе среди исследований магнитных и структурных свойств редкоземельных ортоферритов. Соседние работы в архиве касаются сверхпроводимости, графена, квантовоподобных моделей и коллективного поведения, а также магнитных текстур и фрустраций. В этом окружении данное исследование выделяется прямым измерением гигантской магнитострикции в объёмных монокристаллах при низких температурах. До сих пор структурные свойства RFeO3 под магнитным полем систематически не изучались, хотя электромагнитные отклики вдоль оси c уже привлекали внимание благодаря сильной спин-орбитальной связи и переходам спиновой переориентации.
Монокристаллы HoFeO3, DyFeO3 и GdFeO3 выращены в четырехзеркальной печи с галогенными лампами в атмосфере кислорода. Фазовую чистоту и структуру подтверждали рентгеновской дифракцией на Rigaku TTRAX II и методом Лауэ. Магнитные измерения проводили на PPMS и SQUID-VSM. Тепловое расширение и магнитострикцию измеряли ёмкостным дилатометром Венского технического университета с мостом Andeen-Hagerling AH2700A. Образцы размером около 1×1×1 мм³ помещали между пластинами конденсатора, поле прикладывали вдоль измеряемой оси. Диэлектрическую проницаемость определяли тем же мостом при электрическом поле вдоль выбранного направления.
В HoFeO3 при 90 кЭ и 2 К относительное удлинение вдоль оси c превышает 60%, а в DyFeO3 достигает 115–120% при 5 К. Вдоль осей a и b магнитострикция составляет лишь 0,1–3% у HoFeO3 и около 10% у DyFeO3, то есть на два порядка меньше. Переходы сопровождаются сильным тепловым гистерезисом, что указывает на первый род. Магнитодиэлектрический эффект также анизотропен: диэлектрическая проницаемость вдоль c падает более чем на 65% при 90 кЭ и 35 К. В GdFeO3, где спин-орбитальная связь слаба, магнитострикция на два порядка меньше и структурный переход отсутствует. Это подтверждает ключевую роль редкоземельной анизотропии и взаимодействия подрешёток Fe и R.
Работа отличается от соседних исследований тем, что впервые демонстрирует магнитоиндуцированный структурный переход первого рода с гигантской деформацией в объёмных монокристаллах ортоферритов. Соседние работы в архиве не касаются магнитострикции такого масштаба: они изучают сверхпроводимость, квантовые модели или магнитные текстуры. Здесь же показано, что редкоземельные ортоферриты могут служить платформой для экстремально больших обратимых деформаций, управляемых полем. Это расширяет класс материалов с колоссальной магнитострикцией за пределы сплавов с памятью формы.
Тема может развиваться в сторону поиска комнатно-температурных аналогов с подобным откликом. Возможно исследование тонких плёнок и гетероструктур на основе RFeO3 для интеграции в устройства. Интересно изучить влияние давления, электрического поля и света на магнитострикцию. Теоретические модели, связывающие спин-орбитальное взаимодействие с решёточной неустойчивостью, помогут предсказать новые составы с ещё большим эффектом.
Результаты могут повлиять на разработку магнитных актуаторов, датчиков, преобразователей и адаптивных структур. Также они важны для физики мультиферроиков и спинтроники.
Следующие шаги включают измерение магнитострикции в других редкоземельных ортоферритах (например, ErFeO3, TmFeO3) и поиск составов с переходом при более высоких температурах. Необходимо также детальное структурное исследование in situ под полем для выяснения микроскопического механизма.
Работа связана с нерешённой проблемой связи магнитного порядка и решётки в сильно коррелированных оксидах. Открытым остаётся вопрос о микроскопическом механизме гигантской магнитострикции: как именно спин-орбитальное взаимодействие редкоземельных ионов запускает структурный переход. Также неясно, почему переход первого рода возникает только вдоль оси c и возможен ли он при комнатной температуре.
Магнитострикция была открыта Джеймсом Джоулем в 1842 году: железный стержень удлинялся на миллионные доли в магнитном поле. В новой работе деформация в миллион раз больше.
В романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» инопланетный корабль меняет свою геометрию под действием внешних полей. Редкоземельные ортоферриты с их 120-процентным удлинением напоминают такой «умный» материал, хотя и работают лишь при криогенных температурах.