Экзотический магнетизм в диоксиде нептуния получил объяснение

Диоксид нептуния NpO₂ при относительно простой кристаллической решетке обладает чрезвычайно необычными электронными и магнитными свойствами (изображение из статьи cond-mat/0505548)

Происхождение магнетизма в диоксиде нептуния долгое время оставалось загадкой. Недавние вычисления показали, что он возникает, скорее всего, из-за магнитного триаконтадипольного взаимодействия, примеров которого физика еще не знала.

Интерес к трансурановым элементам обычно связан с их радиоактивностью. Однако не стоит забывать и еще об одном уникальном свойстве тяжелых атомов — их сложной электронной оболочке. Трансурановые элементы относятся к классу актиноидов — элементов с f-электронами на внешней оболочке, — и благодаря этому в их соединениях становятся возможными самые необычные коллективные явления. В частности, в недавней статье P. Santini et al., Physical Review Letters, 97, 207203 утверждается, что в диоксиде нептуния имеет место совершенно экзотический, никогда не встречавшийся ранее тип магнетизма.

Вспомним вначале, откуда берется магнетизм железа и других ферромагнетиков. Ферромагнетик состоит из таких атомов, электронные оболочки которых обладают собственными магнитными моментами. Образно выражаясь, каждый атом похож на маленький магнитик со своим «северным» и «южным» полюсом, и, находясь в кристалле, он взаимодействует со своими соседями и стремится развернуться в согласии с ними. При не слишком высоких температурах взаимодействие соседних магнитиков пересиливает тепловое дрожание атомов, и в результате магнитные моменты всех атомов ориентируются в пространстве согласованно. В веществе наступает магнитная упорядоченность, и кусок железа приобретает спонтанную намагниченность.

Магнитное взаимодействие, однако, вовсе не обязано быть всегда дипольным. Например, если склеить боками два магнитика с противоположной ориентацией полюсов, то получится магнитный квадруполь (мультиполь второго порядка) — магнитик с двумя симметрично расположенными северными и двумя южными полюсами. И если атомы какого-то вещества обладают большим магнитными квадрупольным моментом и слабым дипольным, то при низкой температуре вещество приобретет новый тип магнитной упорядоченности — квадрупольный.

Магнитную мультипольность можно повышать и дальше. Например, если склеить два магнитных квадруполя, устранив их квадрупольный момент, то получится магнитный октуполь — мультиполь третьего порядка — с еще более сложной картиной магнитных линий. Склеив два октуполя, получим мультиполь четвертого порядка и так далее. Такие высокие мультиполи, конечно же, теоретически изучались, но долгое время они казались явной экзотикой, в природе не встречающейся.

В 1990-е годы ситуация начала меняться. Стали появляться данные о том, что соединения многоэлектронных атомов, в особенности лантаноидов и актиноидов, обладают при низких температурах магнитной упорядоченностью, которая совершенна не похожа на результат обычного дипольного взаимодействия. Более того, эксперименты 1999 года подтвердили, что в диоксидах трансурановых элементов (UO₂, NpO₂) дипольные и квадрупольные магнитные моменты слишком малы, чтобы привести к спонтанной намагниченности. Поэтому возник вопрос: за счет какого именно типа межатомного взаимодействия появляется эта намагниченность?

В недавнем выпуске журнала Physical Review Letters вышла статья теоретиков из Германии и Италии, P. Santini et al., Physical Review Letters, 97, 207203 (14 November 2006), посвященная происхождению магнетизма в диоксиде нептуния. В ней на основании подробных вычислений магнитного взаимодействия разных порядков и сравнения с экспериментальными данными делается неожиданный вывод: наиболее вероятная причина магнетизма в NpO₂ — не дипольное, не квадрупольное и даже не октупольное магнитное взаимодействие, а взаимодействие через мультиполь пятого порядка (он носит номенклатурное название триаконтадиполь).

Авторы работы, конечно, подчеркивают, что последнее слово остается за опытом, и даже приводят в своей статье конкретные предсказания для будущих экспериментов, но им кажется маловероятным, чтобы в данном веществе какой-либо иной тип магнитного взаимодействия пересилил эффект триаконтадиполей.

Трудно сказать, найдет ли столь экзотическая разновидность магнетизма какое-то применение за пределами своей узкой области. Однако интересен сам факт: до сих пор в физике не было ни одного примера коллективного явления, вызванного мультиполем столь высокого порядка. Не исключено, поэтому, что в таких сложно упорядоченных системах могут проявиться новые коллективные свойства, не реализующиеся при более простых законах взаимодействия.

Игорь Иванов