Внутри вещества, на уровне электронов и атомов, разворачиваются тонкие процессы. Электроны в твердом теле взаимодействуют между собой и с атомными ядрами, образуя согласованную систему. Именно это согласованное поведение электронов придаёт веществам особые специфические свойства, которые интересны не только сами по себе как предмет научного исследования, но и в силу обширного практического использования этих свойств. Магнетизм железа и редкоземельных металлов — яркий пример такого эффекта: он рождается не сам по себе, а как результат сложного взаимодействия электронов внутри атомов и между ними называемого обменным взаимодействием.
Свежая научная работа, посвящённая так называемому кинетическому суперобмену в системах с псевдо-эффектом Яна–Теллера, опубликованная в Journal of Magnetism and Magnetic Materials (IF=3.0), раскрывает глубокую взаимосвязь между магнитными, структурными и орбитальными характеристиками материалов.
Ключевыми объектами исследования стали два физических явления между которыми авторы обнаруживают глубокую связь. Первое — суперобмен. Этот механизм проясняет, каким образом два магнитных иона, разделённых немагнитным атомом (лигандом), «ощущают» друг друга и выстраивают свои магнитные моменты — либо параллельно (ферромагнитный порядок), либо антипараллельно (антиферромагнитный порядок). Правила Гуденафа–Канамори, сформулированные десятилетия назад, позволяют предсказать тип магнитной связи, отталкиваясь от заполнения электронных орбиталей.
Второе явление —«псевдо-эффект Яна–Теллера (ПЭЯТ)». Он проявляется, когда электронное состояние иона близко к вырождению — то есть две или более орбиталей обладают почти одинаковой энергией. Подобная система становится вибронно неустойчивой: она стремится понизить свою энергию посредством структурных искажений, вызываемых, например, смещением соседних атомов. Эти искажения смешивают (термин квантовой механики) орбитали, снимая псевдовырождение и стабилизируя структуру, причем так, чтобы при этом выстроить электронные орбитали энергетически благоприятным образом при данной структуре. Важно, что этот эффект чувствителен к спину электронов, что открывает путь к управлению магнитными свойствами.
Исследователи поставили вопрос: что случится, если энергия суперобмена, определяющая магнитное взаимодействие, окажется сопоставима с малым энергетическим зазором между псевдовырожденными орбиталями и силами, вызывающими структурные искажения? Оказалось, что в таких условиях суперобмен и ПЭЯТ вступают в сложное взаимодействие, порождая новые физические эффекты.

Расчёты демонстрируют, что в зависимости от соотношения между величинами суперобмена и ПЭЯТ в системе реализуется одно из двух состояний:

1. Ферродистортивное антиферромагнитное состояние: синхронное (атомы движутся в одной фазе) искажение положения ионов и установление антиферромагнитного порядка.
2. Антиферродистортивное ферромагнитное состояние: асинхронное (атомы движутся в противоположных фазах) смещение ионов при параллельной ориентации спинов.
   

Эти состояния схематически представлены на рисунке, на котором рассчитанная энергия пары ионов показана как функция двух колебательных координат (то есть поверхность) симметричного и антисимметричного типов. Одновременно мы можем увидеть результирующие искажения атомных конфигураций и соответствующие им спины системы. Одно из интересных предсказаний работы — возможность изменения общего спина пары ионов под влиянием колебаний атомов, то есть в условиях динамического ПЭЯТ.

В более широком контексте это исследование предлагает использовать простую пару ионов как модель для изучения коллективных эффектов в сложных кристаллах, таких как перовскиты. Оно демонстрирует, насколько тесно переплетены магнитное упорядочение, структурные деформации и орбитальная электронная структура. Эти результаты открывают возможности направленного проектирования новых материалов, где магнитным состоянием можно управлять через структурные искажения, вызванные внешними воздействиями — давлением или электрическим полем.

Andrew Palii, Boris Tsukerblat // Kinetic superexchange in a pair of pseudo-Jahn-Teller magnetic ions: Ferro- vs antiferromagnetic coupling // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2025  (IF=3.0)

Работа также представлена в качестве приглашенного пленарного доклада на Международной конференции: 26th International Conference on the Jahn-Teller Effect: Vibronic Coupling and Jahn-Teller Effects in Molecules, Solids, and Nanoscale Materials, York University (Toronto, CA) and University of Louisville, May 5 – 9, 2025

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2025.173044