Магнитные свойства твердого кислорода под давлением

Abstract

Твердый кислород — уникальный кристалл, сочетающий свойства молекулярного кристалла и магнетика. В отличие от обычных магнетиков, обменное взаимодействие в твердом кислороде реализуется на фоне слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий и составляет, тем самым, значительную часть энергии кристалла. Это приводит к богатой P–T фазовой диаграмме и к многочисленным аномалиям термодинамических, кинетических, оптических и магнитных свойств твердого кислорода. α-O₂, низкотемпературная фаза низких давлений, является неелевским коллинеарным двухподрешеточным магнетиком. При давлениях ~6 ГПа α-O₂ переходит в δ-O₂, в котором с повышением температуры реализуются три различные магнитные структуры. При давлениях ~ 8 ГПа происходит переход в ε-O₂. При этом переходе молекулы O₂ объединяются в кластеры (O₂)₄, что сопровождается магнитным коллапсом. В настоящем обзоре описывается эволюция магнитной структуры с ростом давления и анализируются причины, которые лежат в основе этой эволюции.

Твердий кисень — унікальний кристал, що поєднує властивості молекулярного кристала та магнетика. На відміну від звичайних магнетиків, обмінна взаємодія в твердому кисні реалізується на фоні слабких ван-дер-ваальсових взаємодій і складає, тим самим, значну частину енергії кристала. Це призводить до багатщї P–T фазової діаграми і до чисельних аномалій термодинамічних, кінетичних, оптичних та магнітних властивостей твердого кисню. α-O₂ — низькотемпературна фаза низьких тисків є неєлівським колінеарним двогратковим магнетиком. При тисках ~ 6 ГПа α-O₂ переходить у ε-O₂, в якому з підвищенням температури реалізуються три різні магнітні структури. При тисках ~ 8 ГПа відбувається перехід в ε-O₂. При цьому переході молекули O₂ об’єднуються в кластери (O₂)₄, що супроводжується магнітним колапсом. У цьому огляді описується еволюція магнітної структури із зростанням тиску та аналізуються причини, які лежать в основі цієї еволюції.

Solid oxygen is a unique crystal combining properties of a simple molecular solid and of a magnet. Unlike ordinary magnets, the exchange interaction in solid oxygen acts on a background of weak Van der Waals forces, providing a significant part of the total lattice energy. Therefore, the magnetic and lattice properties in solid oxygen are very closely related which manifests itself in a very rich phase diagram and in numerous anomalies of thermal, magnetic, and optical properties. Lowtemperature low-pressure α-O₂ is a two-sublattice collinear Neel antiferromagnet. At pressures of ~ 6 GPa α-O₂ transforms into δ-O₂ which at increasing temperatures displays three different magnetic structures. At ~ 8 GPa it transforms into ε-O₂. In this transition O₂ molecules unite into four-molecular clusters (O₂)₄. This transformation is accompanied by a magnetic collapse. This review describes the evolution of the magnetic structure with increasing pressure, and analyzes the causes that underlie this evolution.