Новый оксид железа удивил химиков необычными свойствами

Оксид железа Fe3O4 — магнетит. Фото: Archaeodontosaurus/wikipedia

Международная группа специалистов при участии российских ученых исследовала недавно открытый оксид железа и выяснила, что при охлаждении ниже температуры 150 кельвинов (-123,15 градуса по Цельсию) в нем происходит необычный фазовый переход, приводящий к образованию «четырехмерной» кристаллической структуры.

Статья химиков из России, Германии, Бельгии, Франции и Китая опубликована в журнале Nature Chemistry. Подробности работы приводит пресс-служба МГУ имени Ломоносова.

Корни этой работы уходят еще в 1939 год, когда голландский физик Эверт Вервей обнаружил у оксида железа Fe3O4 странный фазовый переход. Магнетит, сравнительно хорошо проводящий электрический ток в обычном состоянии, при охлаждении ниже 120 кельвинов (-153,15 градуса по Цельсию) менял проводимость и становился практически диэлектриком. О причинах этого эффекта ученые догадывались с самого начала и объясняли его тем, что ниже 120 кельвинов атомы железа выстраивались в некую упорядоченную структуру.

Однако, что именно представляет эта структура, ученые смогли выяснить только в 2012 году. Тогда группа американских химиков показала, что здесь имело место так называемое зарядовое упорядочение, при котором атомы двух- и трехвалентного железа выстраиваются в цепочки, объединяясь между собой в тройки, которые были названы тримеронами.

Авторы нового исследования решили исследовать еще один оксид железа, Fe4O5, недавно открытый группой специалистов из США. Этот странный оксид может быть получен лишь при очень высоких давлениях и температурах, поэтому на земной поверхности он не образуется, а существует вместе с другими оксидами с еще более высоким содержанием кислорода, как сейчас предполагается, лишь на глубинах во многие сотни километров.

В результате ученые обнаружили у этого оксида фазовый переход, очень похожий на переход Вервея в магнетите. Но происходит он при других температурах, а образующаяся при этом структура имеет намного более сложную конфигурацию. «Это нечто среднее между классическими волнами зарядовой плотности с образованием димеров (цепочка из пар атомов железа с укороченным межатомным расстоянием) и картиной с тримеронами, наблюдаемой у магнетита, — говорит один авторов работы Артем Абакумов. — В случае с Fe4O5 она оказалась очень сложной: в ней невозможно выделить трехмерную периодичность, и можно описать как периодичную только в пространстве более высокой размерности, в данном случае — «четырехмерном» пространстве. «Четырехмерность» такой структуры, конечно, не говорит о реальном существовании этого оксида в четырех измерениях, это просто технический подход к математическому описанию такой сложной упорядоченности».

В дальнейшем исследователи собираются провести сравнительный анализ Fe3O4 с Fe4O5, который позволит с большей определенностью изучить связь магнитного и электрического порядка в подобного рода соединениях.

Недавно группа химиков доказала новое состояние магнитного вещества, в котором спины частиц остаются в «жидком» состоянии даже при очень низких температурах. Это состояние было предсказано еще 40 лет назад.
Теги:

Читать еще на Чердаке: