Учёные создали ферромагнитный материал с отрицательным тепловым расширением

Исследователи из Токийского научного института (Science Tokyo) и компании Sumitomo Chemical разработали новый метод управления свойствами перспективного мультиферроика — феррита висмута (BiFeO₃). Используя двойное замещение ионов, они добились в этом материале ферромагнетизма при комнатной температуре и открыли эффект отрицательного теплового расширения.

Мультиферроики, обладающие одновременно сегнетоэлектрическими и ферромагнитными свойствами, считаются основой для создания энергоэффективной памяти нового поколения. Феррит висмута — один из самых изученных материалов в этом классе, но его природная цилоидальная спиновая структура подавляет намагниченность.

Под руководством профессора Масаки Адзумы учёные заменили часть ионов железа на тяжёлые переходные металлы (рутений или иридий), а часть ионов висмута — на кальций для сохранения баланса заряда. Этот подход подавил цилоидальную модуляцию и привёл к появлению слабого ферромагнетизма при комнатной температуре.

«Мы обнаружили, что одновременное замещение рутением или иридием железа и кальцием висмута подавляет цилоидальную модуляцию и создаёт слабый ферромагнетизм при комнатной температуре, сохраняя полярную ромбоэдрическую кристаллическую структуру», — поясняет Масаки Адзума.

Полученные соединения, такие как Bi₀.₉Ca₀.₁Fe₀.₉Ru₀.₁O₃, показали не только ферромагнитное поведение, но и почти вчетверо более высокое коэрцитивное поле по сравнению с аналогами, что повышает стабильность хранения данных.

Кроме того, двойное замещение привело к неожиданному эффекту — отрицательному тепловому расширению вблизи комнатной температуры. Например, материал Bi₀.₈₅Ca₀.₁₅Fe₀.₈₅Ir₀.₁₅O₃ сжимается на 1,77% при нагреве от 6°C до 147°C. Это свойство может решить проблемы, вызванные тепловым расширением в электронных компонентах.

Исследование, опубликованное 28 ноября 2025 года в Journal of the American Chemical Society, открывает новые возможности для создания многофункциональных материалов, объединяющих магнитоэлектрическую связь с контролем теплового расширения.