Фізики виявили, що у високотемпáних надпровідниках на основі арсеніда заліза вище критичної температури можливе утворення п'єзомагнітної фази, в якій магнітні властивості кристала змінюються при розтягненні. Поки теоретичного пояснення для утворення такого стану не запропоновано, але, ймовірно, що спінові взаємодії визначають і надпровідні властивості цього класу матеріалів, пишуть вчені в.
За рахунок складної взаємодії між електронними спинами, ґратами атомів та електронними орбіталями для високотемпльодових надпровідників характерні досить багаті фазові діаграми. Залежно від зовнішніх умов - температури і тиску - у цих кристалів можна виявити велику кількість фаз, що володіють різними фізичними властивостями. За рахунок того, що при переходах між цими станами принциповим чином може змінюватися спинова структура матеріалу, ці перетворення можна використовувати для зміни магнітних і електричних властивостей матеріалів, не тільки в надпровідному стані, але і вище критичної температури.
Група фізиків з США і Німеччини під керівництвом Ніколаса Курро (Nicholas J. Curro) виявила, що для одного з високотемпceних надпровідників складу BaFe2As2, крім інших кристалічних станів, характерна наявність п'єзомагнітної фази, в якій під дією механічних напружень може змінюватися магнітна поляризація. На відміну від п'єзоелектриків, п'єзомагнетики зустрічаються вкрай рідко - серед надпровідників також відомі не ні жодні матеріали.
Досліджуваний змішаний арсенід заліза і барія стає високотемпáним надпровідником, якщо в його кристалічній структурі частину атомів барію замінити, наприклад, на калій, або частину атомів заліза - на кобальт. Критична температура такого матеріалу становить близько 25 кельвінів. При цьому, незважаючи на те, що для високотемпáних надпровідників температура переходу досить низька, цей матеріал нерідко використовується, наприклад, для отримання надпровідних кабелів.
При кімнатній температурі матеріал являє собою парамагнетик з неупорядкованою структурою спинів, але при зниженні температури від кімнатної до − 128 градусів Цельсія енергія флуктуацій спинів стає співмірною з коливаннями атомної решітки і їх орієнтація починає впливати на симетрію кристала. За рахунок взаємодії один з одним і електронними орбіталями спини починають вибудовуватися в упорядковані ланцюжки, спрямовані вздовж однієї з осей кристала, і відбувається так званий нематичний фазовий перехід з утворенням кристала з анізотропною електронною структурою. Докладніше про надпровідники та фазові переходи, які відбуваються в них і призводять до зміни електронної структури, ви можете прочитати в нашому матеріалі.
У кристалі BaFe2As2 одночасно з нематичним переходом відбувається ще й магнітний перехід - з парамагнітного стану в антиферромагнітний, в якому сусідні спини спрямовані в протилежному напрямку, так що сумарний магнітний момент матеріалу стає дорівнює нулю. Однак при введенні в кристалічну структуру атомів інших металів ці дві температури розходяться, і з'являється діапазон умов, в якому флуктуації спинів вже шикуються в ланцюжки, але самі спини ще не орієнтуються в протилежних напрямках.
Виявилося, що за рахунок спин-орбітальної взаємодії в цьому кристалі анізотропія нематичного кристала призводить до утворення анізотропної спинової структури. При цьому, що цікаво, величина цього ефекту залежить від зовнішнього механічного напруження. Так, в результаті одноосного стиснення такого кристала спочатку орторомбічна решітка (при якій одна комірка кристала являє собою прямокутний паралелепіпед) спотворюється. Навіть невеликого спотворення - близько 0,3 відсотка - в кристалі виявляється достатньо, щоб у ньому почала перебудовуватися система спинів з утворенням анізотропної структури.
Властивості спинової структури автори роботи вимірювали за допомогою методу ядерного магнітного резонансу і показали, що при зміні деформації кристала відбувається зміна напрямку магнітного моменту всередині матеріалу. При цьому, що цікаво, змінюваний магнітний момент може як збігатися так і не збігатися з напрямком деформації. За словами авторів дослідження, поки немає теорії, яка може пояснити ці ефекти.
За словами авторів роботи, отримані ними результати вперше показали зв'язок між внутрішньою спиновою структурою в нематично впорядкованих кристалах надпровідників із спиновими, орбітальними та решітковими ступенями свободи. При цьому, оскільки надпровідність цих матеріалів залежить від тих же типів взаємодії і утворюється з фази з магнітною впорядкованою структурою, отримані результати допоможуть більш детально дослідити властивості і надпровідного стану цього матеріалу.
Зазначимо, що вперше зв'язок спін-орбітальної взаємодії з надпровідністю вчені довели експериментально більше двох років тому. В даний час дослідженню спинових взаємодій у високотемпáних надпровідниках присвячується велика кількість досліджень: наприклад, нещодавно в купратних надпровідниках були виявлені спінові смуги, що флуктурують.