Магнитный порядок вызывает эффект Яна-Теллера в шпинельных соединениях

Учёные из Университета Васэда в Японии обнаружили новое явление, при котором магнитное упорядочение в кристалле вызывает структурный фазовый переход, известный как эффект Яна-Теллера. Это открытие, в котором ключевую роль играет спин-орбитальное взаимодействие, может найти применение в квантовых технологиях.

Исследователи обнаружили новое явление, при котором структурный фазовый переход происходит одновременно с магнитным упорядочением в Co₁₋ₓFeₓV₂O₄. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5kwm-sljw

Эффект Яна-Теллера, предложенный в 1937 году, описывает, как молекулы или кристаллы с вырожденными электронными орбиталями могут понизить свою полную энергию, искажая свою структуру. Хотя многие материалы, проявляющие этот эффект, уже известны, вовлечение спина — источника магнетизма — наблюдалось редко, поскольку магнитное упорядочение обычно происходит при гораздо более низких температурах, чем структурные искажения.

В новом исследовании команда под руководством профессора Такуро Кацуфудзи из Университета Васэда обнаружила, что в соединениях типа шпинели Co₁₋ₓFeₓV₂O₄ магнитное упорядочение индуцирует эффект Яна-Теллера, причём спин-орбитальное взаимодействие играет решающую роль. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters 29 октября 2025 года.

«Наша группа исследовала вырожденные орбитали и их связь со спином электронов в материалах. В ходе этой работы мы обнаружили новое явление, при котором структурный фазовый переход происходит одновременно с магнитным упорядочением в Co₁₋ₓFeₓV₂O₄», — поясняет Кацуфудзи.

Учёные сосредоточились на шпинельных соединениях с формулой AV₂O₄. В FeV₂O₄ ионы Fe²⁺ проявляют искажение Яна-Теллера, переходя от кубической к тетрагональной симметрии, тогда как CoV₂O₄, не имеющий орбитального вырождения, — нет. Изучая монокристаллы Co₁₋ₓFeₓV₂O₄ с разным содержанием железа (x), команда установила, что структурный переход Яна-Теллера происходит именно при температуре установления магнитного порядка, а величина искажения уменьшается с уменьшением содержания Fe.

Эти результаты доказывают, что магнитное упорядочение может запускать искажения Яна-Теллера через спин-орбитальную связь. Такое поведение также можно воспроизвести с помощью модели, учитывающей дважды вырожденные орбитали, связанные с искажением решётки и намагниченностью.

Дважды вырожденные e_g состояния d-орбиталей в Fe²⁺ образуют типичную двухуровневую систему в квантовой механике. Тот факт, что ими можно управлять с помощью магнитных полей ниже одного тесла, указывает на потенциальное применение в квантовой информатике. В настоящее время управлять состоянием или считывать его у одиночного иона Fe²⁺ сложно. Однако, уменьшая количество ионов Fe²⁺ в кристалле, может стать возможным контролировать и считывать состояние одиночного иона с помощью магнитного поля.

«Интересно, что, замещая V в FeV₂O₄ на немагнитный ион, можно подавить упорядочение спинов Fe. Ожидается, что это создаст новое состояние материи, где существует орбитально-спиновая связь, но оба параметра одновременно фрустрированы. Такое состояние, в котором эти две степени свободы запутаны и флуктуируют вместе, не имеет аналогов. Оно представляет фундаментальный научный интерес и сулит новые применения в квантовой информации», — отмечает Кацуфудзи.

Больше информации: Minato Nakano et al, Coupling between Orbital and Spin Degrees of Freedom in Jahn-Teller Ions for Co1−_𝑥Fe_𝑥V₂O₄, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5kwm-sljw

Источник: Waseda University