Os cientistas da Universidade Federal de Ural conduziram um estudo no qual descobriram que um dos óxidos de cobre com estrutura de um espinélio mineral raro - CuAl ₂ O ₄ - é um material com estrutura e propriedades magnéticas incomuns devido a interações spin-órbita significativas.

Os cientistas descreveram o processo e os resultados da pesquisa em artigo publicado em Revisão Física B , o maior jornal especializado do mundo em física do estado sólido.

A interação spin-órbita é devida à interação eletromagnética do spin do elétron com o momento magnético causado pelo elétron girando em torno de um núcleo. O fenômeno é essencial para sistemas 4d e 5d, que são baseados nos elementos do quinto e sexto grupos da tabela periódica de Mendeleev - do ítrio ao cádmio e do háfnio ao mercúrio, respectivamente. CuAl ₂ O ₄ é um sistema 3D, porque o cobre pertence aos elementos 3d (de escândio a zinco na tabela periódica) para os quais a interação spin-órbita geralmente não é tão crucial. Contudo, Acontece que, no caso de c CuAl ₂ O ₄ , é fundamental. A interação spin-órbita não traz apenas as propriedades magnéticas, mas também determina a estrutura cristalina do material.

A questão é que a estrutura cristalina de quase todos os óxidos de cobre conhecidos (incluindo supercondutores à base de Cu de alta temperatura e o conhecido sulfato de cobre - CuSO ₄ • 5H ₂ O) - está consideravelmente distorcido. Contudo, o tetraedro de átomos de oxigênio em torno de íons de cobre em CuAl ₂ O ₄ permanecem ideais até as temperaturas mais baixas. Este fato foi descoberto em 2017 por pesquisadores sul-coreanos e americanos, mas tornou-se possível explicá-lo apenas recentemente, como resultado da pesquisa com a participação de cientistas de Ekaterinburg.

“As distorções nos óxidos de cobre são causadas por um dos fenômenos físicos mais fundamentais, o efeito Jahn-Teller. Isto é, na verdade, um fenômeno muito simples. Sistemas físicos, como pessoas, não goste de incertezas e tente evitar situações em que os elétrons são incapazes de ocupar um nível estritamente determinado de energia, mas tem que escolher o que está disponível. É fácil privar os elétrons dessa liberdade - você só precisa mover átomos de posições altamente simétricas, distorcendo assim a estrutura cristalina, "co-autor Prof. Sergei Streltsov, Dr. Sci. em Física e Matemática, chefe do Laboratório de Ressonância Eletrônica e Nuclear UrFU e do Instituto de Física dos Metais da Filial Ural da Academia Russa de Ciências (IMP UB RAS) Laboratório de Teoria de Sistemas de Spin de Baixa Dimensão, explica.

Contudo, não funciona assim no CuAl ₂ O ₄ :a interação spin-órbita interfere. Ele determina em quais órbitas os elétrons giram e quais energias eles têm.

Interessantemente, a interação spin-órbita não apenas preserva a rede simétrica em CuAl ₂ O ₄ , mas também afeta suas propriedades magnéticas. Cálculos teóricos realizados por Sergei Nikolaev (Departamento Acadêmico de Física Teórica e Matemática Aplicada da UrFU) e Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) mostram que a interação spin-órbita faz com que os spins se torçam. Como resultado, em um CuAl ideal ₂ O ₄ amostra, na região de temperaturas extremamente baixas, os spins não se alinham ao longo de uma direção, Como, por exemplo, em ferro comum, mas deve formar uma chamada "espiral de spin".

"A maneira mais fácil de descrever essa estrutura magnética é pelo exemplo de uma cadeia que consiste em spins, "Sergei Streltsov diz." Se as rotações estiverem alinhadas em paralelo, então temos um ferromagneto, em antiparalelo (isto é, alternando entre para cima e para baixo), um antiferroímã. E se cada giro for gradualmente desviado no mesmo ângulo em relação ao anterior, então temos a espiral de rotação. É esse tipo de ordenação magnética que se espera em uma amostra perfeita de CuAl ₂ O ₄ . "