Los científicos de la Universidad Federal de los Urales llevaron a cabo un estudio en el que encontraron que uno de los óxidos de cobre con estructura de un mineral raro espinela, CuAl ₂ O ₄ —Es un material con propiedades y estructura magnéticas inusuales debido a interacciones importantes entre el espín y la órbita.

Los científicos describieron el proceso y los resultados de la investigación en el artículo publicado en Revisión física B , la revista especializada en física del estado sólido más grande del mundo.

La interacción espín-órbita se debe a la interacción electromagnética del espín del electrón con el impulso magnético causado por el giro del electrón alrededor de un núcleo. El fenómeno es fundamental para los sistemas 4d y 5d, que se basan en los elementos del quinto y sexto grupo de la tabla periódica de Mendeleev:del itrio al cadmio y del hafnio al mercurio, respectivamente. CuAl ₂ O ₄ es un sistema 3d, porque el cobre pertenece a elementos 3d (desde el escandio hasta el zinc en la tabla periódica) para los cuales la interacción espín-órbita no suele ser tan crucial. Sin embargo, resulta que en el caso de c CuAl ₂ O ₄ , es fundamental. La interacción espín-órbita no solo produce las propiedades magnéticas, pero también determina la estructura cristalina del material.

El punto es que la estructura cristalina de casi todos los óxidos de cobre conocidos (incluidos los superconductores a base de Cu de alta temperatura y el conocido sulfato de cobre, CuSO ₄ • 5H ₂ O) —está considerablemente distorsionado. Sin embargo, los tetraedros de átomos de oxígeno que rodean a los iones de cobre en CuAl ₂ O ₄ siguen siendo ideales hasta las temperaturas más bajas. Este hecho fue descubierto en 2017 por investigadores surcoreanos y estadounidenses, pero fue posible explicarlo solo recientemente, como resultado de la investigación con la participación de científicos de Ekaterinburg.

"Las distorsiones en los óxidos de cobre son causadas por uno de los fenómenos físicos más fundamentales, el efecto Jahn-Teller. Este es, De hecho, un fenómeno muy simple. Sistemas físicos, como personas, no les gusta la incertidumbre y tratan de evitar situaciones en las que los electrones no pueden ocupar un nivel de energía estrictamente determinado, pero tienes que elegir entre lo que está disponible. Es fácil privar a los electrones de esta libertad:solo necesita mover los átomos desde posiciones altamente simétricas, distorsionando así la red cristalina, "el coautor, el profesor Sergei Streltsov, Dr. Sci. en Física y Matemáticas, jefe del Laboratorio UrFU de Resonancia Electrónica y Nuclear y del Instituto de Física de los Metales de la Rama Ural del Laboratorio de Teoría de Sistemas de Espín de Baja Dimensión de la Academia de Ciencias de Rusia (IMP UB RAS), explica.

Sin embargo, no funciona asi en cuAl ₂ O ₄ :interfiere la interacción espín-órbita. Determina en qué órbitas giran los electrones y qué energías tienen.

Curiosamente, la interacción espín-órbita no solo conserva la red simétrica en CuAl ₂ O ₄ , pero también afecta sus propiedades magnéticas. Los cálculos teóricos realizados por Sergei Nikolaev (Departamento Académico de Física Teórica y Matemáticas Aplicadas de UrFU) y Andrei Ignatenko (IMP UB RAS) muestran que la interacción espín-órbita hace que los espines se tuerzan. Como resultado, en un cuAl ideal ₂ O ₄ muestra, en la región de temperaturas extremadamente bajas, los giros no se alinean en una dirección, como, por ejemplo, en hierro ordinario, pero debe formar una llamada "espiral de giro".

"La forma más fácil de describir tal estructura magnética es con el ejemplo de una cadena que consta de giros, "Dice Sergei Streltsov." Si los giros están alineados en paralelo, luego obtenemos un ferromagnet, en antiparalelo (es decir, alternando entre arriba y abajo), un antiferromagnet. Y si cada giro se desvía gradualmente en el mismo ángulo con respecto al anterior, luego obtenemos una espiral de giro. Es este tipo de ordenamiento magnético el que se espera en una muestra perfecta de CuAl. ₂ O ₄ . "