По результатам компьютерного моделирования, проведенного интернациональным исследовательским коллективом в международном центре наноархитектоники материалов Национального института материаловедения (Япония), установлено, что фосфат натрия-железа (NaFePO4) при воздействии на него электрическим или магнитным полями проявляет магнитоэлектрический эффект: происходит либо намагничивание электрическим полем, либо электрическая поляризация приложением магнитного поля.

— Это значит, что можно контролировать магнитные свойства, прилагая к образцу электрическое напряжение, или наоборот — контролировать электрическую поляризацию, меняя магнитные свойства. То есть обнаруживается возможность для взаимного контроля этих свойств, — объясняет автор теоретической работы, доктор физико-математических наук Уральского федерального университета Игорь Соловьев.

Исследователям удалось впервые подробно изучить магнитные свойства фосфата натрия-железа, который до этого рассматривался лишь применительно к аккумуляторным батареям.

— Сейчас, если из области фундаментальной науки перейти в сферу практического использования, мы знаем, что фосфат натрия-железа — это многофункциональное соединение, которое может быть использовано в производстве не только батарей, но и чипов, и элементов памяти мобильных устройств, где магнитоэлектрические свойства играют очень важную роль, — уверен соавтор работы, коллега Игоря Соловьева по УрФУ кандидат физико-математических наук Сергей Николаев.

Другими словами, многофункциональность таких соединений, как фосфат натрия-железа, и возможность их разнообразного использования избавляют от необходимости применения других веществ и делают производство электронных приборов более простым и экономичным.

Изучено и влияние химического давления на магнитные свойства полианионных соединений путем замещения ионов натрия литием.

— Фосфат натрия-железа обладает пористой структурой и удобен для подобных манипуляций: легче убирать и добавлять ионы вещества. Мы заменили большой натрий маленьким литием. Поменялся и объем образца, и его магнитные свойства, так как они зависят от расстояния между атомами, — описывает Игорь Соловьев.

Подобные исследования, отмечает ученый, очень важны с точки зрения теоретического исследования возможностей увеличения температуры магнитного упорядочения (в перспективе — вплоть до комнатной), что также принципиально для практического использования магнитных свойств данных фосфатов.

Полианионные соединения — это высокомолекулярные вещества, полимеры (целлюлоза, крахмал, каучук) с молекулярным весом от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы и с большим количеством отрицательно заряженных групп атомов. Подобные соединения широко используются, к примеру, в аккумуляторных батареях в качестве катодов — отрицательных электродов, присоединенных к отрицательному полюсу источника тока (это то, что в батареях обозначается знаком «-»).

Полианионные соединения отличаются уникальными электрохимическими свойствами: ионы легких элементов (как правило, щелочных металлов — лития или натрия) легко внедряются в их кристаллическую решетку, заполняя там незанятые полости, а потом покидают их, становясь, таким образом, свободными носителями электрического заряда. Благодаря этой особенности полианионные соединения пригодны для производства высокопроизводительных зарядных устройств (тех же аккумуляторных батарей), предназначенных, например, для мобильных устройств. Кроме того, полианионные соединения широко используются в лабораторной практике.

Многие полианионные соединения обладают исключительными магнитными свойствами. Так, пользуясь аналогией с другими оксидами переходных металлов, можно предположить, что некоторые трехмерные полианионные соединения при определенных условиях могут становиться мультиферроиками — это материалы, обладающие способностью к спонтанному, произвольному намагничиванию и поляризуемости без воздействия внешнего электрического или магнитного поля; данное свойство определяет их использование в пьезоэлектрических устройствах, температурных датчиках, сенсорах. Помимо этого, некоторые трехмерные полианионные соединения могут индуцировать магнитоэлектричество — электрические диполи, получаемые при воздействии внешнего магнитного поля (диполи — это системы из двух равных по величине и противоположных по знаку, положительного и отрицательного, электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга). Однако эти магнитные особенности полианионных соединений малоизучены.