Воздух меняет магнетизм наноматериала 24.09.2026

Магнитные свойства вещества обычно воспринимаются как нечто достаточно стабильное: чтобы изменить магнитное состояние материала, требуется воздействие температуры, магнитного поля или других внешних факторов. Однако некоторые кристаллические соединения способны реагировать гораздо тоньше. Исследователи из Вашингтонского университета обнаружили два новых материала на основе серебра, хрома и селена, причем один из них при контакте с обычным воздухом постепенно превращается в другой и одновременно радикально меняет характер своего магнетизма.

Оба соединения относятся к шпинелям - классу кристаллических материалов с характерной повторяющейся структурой. В таких соединениях атомы разных элементов занимают определенные позиции в кристаллической решетке, а их расположение может существенно влиять на физические свойства вещества. Именно поэтому даже относительно небольшое изменение химического состава способно привести к заметной перестройке поведения материала при нагревании или взаимодействии с окружающей средой.

В ходе работы команда ученых синтезировала две ранее не описанные шпинельные фазы - Ag2Cr2Se4 и AgCr2Se4. Первое соединение демонстрирует ферромагнитное состояние, при котором магнитные моменты атомов преимущественно ориентированы согласованно. Его температура Кюри, то есть температура, выше которой упорядоченный магнетизм исчезает, составляет примерно 152 кельвина. Это означает, что при нагревании выше данного значения исходный материал теряет свое ферромагнитное состояние.

Особенность Ag2Cr2Se4 проявляется при его контакте с атмосферным воздухом. Под воздействием кислорода соединение окисляется и теряет часть ионов серебра, в результате чего формируется AgCr2Se4. При этом происходит не просто изменение химической формулы вещества: перестраивается и его магнитное состояние. Если исходная фаза была ферромагнитной, то образовавшееся соединение становится ферримагнитным, то есть магнитные моменты различных атомов оказываются упорядочены противоположно, но не полностью компенсируют друг друга.

Особенно впечатляет изменение температуры Кюри. У преобразовавшегося материала магнитное упорядочение сохраняется уже при температурах выше 400 кельвинов. Таким образом, по сравнению с исходными примерно 152 кельвинами граница сохранения магнитных свойств повышается более чем на 250 кельвинов. По оценке авторов исследования, это крупнейшее зафиксированное изменение температуры Кюри для подобного перехода, связанного одновременно с изменением состава материала и процессом окисления.

Чтобы объяснить столь необычное поведение, специалисты обратились к электронной структуре соединений. После того как кристалл теряет часть серебра, в системе связей между серебром и селеном возникают так называемые дырки - состояния, соответствующие отсутствию электронов. Они взаимодействуют с электронными состояниями хрома и тем самым изменяют характер магнитного взаимодействия внутри кристаллической решетки. Иными словами, удаление части атомов серебра перестраивает электронную структуру материала, а вслед за ней меняется и способ магнитного взаимодействия его компонентов.

Пока исследователи рассматривают Ag2Cr2Se4 и AgCr2Se4 прежде всего как удобную модельную систему для изучения фундаментальных механизмов магнетизма. Она позволяет проследить, каким образом относительно небольшое изменение химического состава способно вызвать масштабную перестройку магнитных свойств. В дальнейшем подобный подход может оказаться полезным при создании материалов, способных управляемо реагировать на внешнюю среду.