Физики предложили универсальный способ расчета обменных взаимодействий в магнитных материалах

Ученый МФТИ Андрей Катанин разработал новый подход к вычислению обменных взаимодействий — ключевых параметров, которые определяют магнитные свойства материалов. Эта работа, опубликованная в Physical Review B, расширяет классические методы теории магнетизма и открывает путь к более точному моделированию систем, важных для спинтроники и квантовых технологий.
Многие материалы — от железа и никеля (при температурах выше точки Кюри) до фрустрированных магнетиков и спиновых стекол — находятся в парамагнитной фазе, где отсутствует дальний магнитный порядок. Но даже в таком состоянии магнетизм не исчезает: информация о нем «зашита» в обменных взаимодействиях между электронами. Они определяют, появится ли магнитный порядок при охлаждении и каким он будет. Поэтому умение надежно рассчитывать эти взаимодействия критически важно — как для фундаментальной физики, так и для проектирования новых устройств.

Классические первопринципные методы хорошо работали для материалов с известным типом магнитного упорядочения, но давали неоднозначные результаты для систем, где порядок отсутствует или нестабилен. Новый подход решает эту проблему.
Метод Катанина, разработанный совместно с коллегами из Германии и Нидерландов, основан на анализе неоднородной магнитной восприимчивости. Она описывает, как электронная система откликается на малое неоднородное магнитное поле. По сути, это «диагностика» скрытых магнитных взаимодействий, которая работает одинаково хорошо и в упорядоченных, и в разупорядоченных фазах.

Главная трудность заключалась в корректном вычислении восприимчивостей сильно коррелированных электронных систем. Для этого необходимо точно учитывать так называемые вершинные поправки — вклады, возникающие из-за взаимодействия электронных состояний. Катанину удалось разработать эффективные алгоритмы их расчета. Это позволило получать статические и динамические восприимчивости значительно быстрее, а значит — вычислять обменные взаимодействия с учетом их температурной зависимости, которой раньше часто пренебрегали.

Новый алгоритм полностью автоматизирован: достаточно задать состав и геометрию кристаллической решетки — и программа сама выполняет весь цикл вычислений, от зонной структуры до обменных параметров.

Метод дал возможность по-новому взглянуть на фундаментальную природу обменных взаимодействий. В частности, исследователи выделили новый класс вершинных поправок — частично-дырочно неприводимые. Они описывают многократные перескоки электронно-дырочных пар между атомами. Эти эффекты оказываются существенными даже в умеренно коррелированных системах вроде никеля, но ранее их почти не учитывали.

Подход уже проверен на «классических» металлах (железо, никель, кобальт), 2D-магнитных металлах (Fe₂C, CrTe₂) и 2D-полупроводниках (CrCl₃, CrSBr). В последних удалось выявить связь между магнитными и оптическими свойствами благодаря совместной работе теоретиков и экспериментальных групп Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, XPANCEO и лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ.

Теперь команда планирует применить метод к новым двумерным ван-дер-Ваальсовым магнетикам и материалам, находящимся в состоянии спинового стекла. Перспективно и исследование альтермагнетиков — систем с нулевым суммарным магнитным моментом, но нетривиальной структурой спинового расщепления, проявляющейся даже без внешнего поля.

Глубокое понимание магнетизма в низкоразмерных материалах важно не только для науки. Это шаг к созданию энергоэффективной электроники, высокочувствительных сенсоров, новых типов магнитных носителей данных и компонентов квантовых вычислительных систем. Новый метод делает это будущее заметно ближе