Введение

В физике конденсированного состояния термин геометрическая фрустрация (или, короче, фрустрация) относится к явлению, при котором атомы стремятся занимать нетривиальные положения, или когда на регулярной кристаллической решетке конфликтующие межатомные силы (каждая из которых благоприятствует довольно простой, но различной структуре) приводят к сложным структурам. Как следствие фрустрации в геометрии или силах, при нулевой температуре может возникать множество различных основных состояний, а обычное термическое упорядочение может подавляться при более высоких температурах. Хорошо изученными примерами служат аморфные материалы, стекла или разбавленные магниты. Термин «фрустрация» в контексте магнитных систем был введен Жераром Тулузом в 1977 году, хотя фрустрированные магнитные системы изучались и ранее. Ранние работы включают исследование модели Изинга на треугольной решетке с ближайшими соседними спинами, антиферромагнитно связанными, выполненное Г.Х. Ванье и опубликованное в 1950 году. Схожие особенности наблюдаются в магнитах с конкурирующими взаимодействиями, где присутствуют как ферромагнитные, так и антиферромагнитные связи между парами спинов или магнитных моментов, причем тип взаимодействия зависит от расстояния между спинами. В этом случае может возникать соизмеримость, например, спиральные магнитные структуры, что было изначально обсуждено, в частности, А. Йошимори, Т.А. Капланом, Р.Дж. Эллиоттом и другими, начиная с 1959 года, для описания экспериментальных данных по редкоземельным металлам. Возобновленный интерес к таким спиновым системам с фрустрированными или конкурирующими взаимодействиями возник примерно через два десятилетия, начиная с 1970-х годов, в контексте спиновых стекол и пространственно модулированных магнитных надструктур. В спиновых стеклах фрустрация усиливается стохастическим беспорядком во взаимодействиях, который может наблюдаться экспериментально в нестехиометрических магнитных сплавах. Тщательно проанализированными спиновыми моделями с фрустрацией являются модель Шеррингтона-Киркпатрика, описывающая спиновые стекла, и модель ANNNI, описывающая соизмеримые магнитные надстройки. В последнее время концепция фрустрации используется в анализе сетей мозга для выявления нетривиальной организации нейронных связей и определения адаптивных элементов мозга.

Магнитная ордерная система

Геометрическая фрустрация является важной характеристикой магнетизма, возникающей из-за взаимного расположения спинов. Простой двухмерный пример показан на рисунке 1. Три магнитных иона расположены в вершинах треугольника с антиферромагнитными взаимодействиями между ними; энергия минимизируется, когда каждый спин ориентирован антипараллельно своим соседям. Как только первые два спина выстраиваются антипараллельно, третий оказывается во фрустрированном состоянии, поскольку его две возможные ориентации – вверх и вниз – приводят к одинаковой энергии. Третий спин не может одновременно минимизировать свои взаимодействия с обоими другими спинами. Поскольку этот эффект возникает для каждого спина, основное состояние шестикратно вырождено. Только два состояния, в которых все спины направлены вверх или вниз, имеют более высокую энергию. Аналогично, в трех измерениях четыре спина, расположенные в тетраэдре (рисунок 2), могут испытывать геометрическую фрустрацию. Если между спинами существует антиферромагнитное взаимодействие, то невозможно расположить спины так, чтобы все взаимодействия между ними были антипараллельными. Существует шесть взаимодействий ближайших соседей, четыре из которых антипараллельны и, следовательно, благоприятны, но два из них (между 1 и 2, и между 3 и 4) неблагоприятны. Невозможно добиться благоприятности всех взаимодействий, и система оказывается фрустрированной. Геометрическая фрустрация также возможна, если спины расположены неколлинеарно. Если рассмотреть тетраэдр со спином в каждой вершине, направленным вдоль оси легкого намагничивания (то есть непосредственно к центру тетраэдра или от него), то можно расположить четыре спина так, чтобы результирующий спин был равен нулю (рисунок 3). Это точно эквивалентно антиферромагнитному взаимодействию между каждой парой спинов, поэтому в этом случае геометрической фрустрации нет. При такой ориентации осей геометрическая фрустрация возникает, если между соседями существует ферромагнитное взаимодействие, при котором энергия минимизируется при параллельном расположении спинов. Наилучшее возможное расположение показано на рисунке 4: два спина направлены к центру, а два – от него. Результирующий магнитный момент направлен вверх, максимизируя ферромагнитные взаимодействия в этом направлении, но левый и правый векторы компенсируют друг друга (то есть выровнены антиферромагнитно), как и направленные вперед и назад. Существует три различных эквивалентных расположения с двумя спинами, направленными внутрь, и двумя – наружу, поэтому основное состояние тройственно вырождено.

Водяной лед

Хотя большинство предыдущих и современных исследований фрустрации сосредоточено на спиновых системах, это явление впервые было изучено в обычном льду. В 1936 году Гиаук и Стоут опубликовали работу «Энтропия воды и третий закон термодинамики. Теплоемкость льда от 15 К до 273 К», в которой представили результаты калориметрических измерений воды при переходах замерзания и испарения вплоть до высокотемпературной газовой фазы. Энтропия была рассчитана путем интегрирования теплоемкости и добавления вкладов скрытой теплоты; измерения при низких температурах были экстраполированы до нуля, используя недавно выведенную формулу Дебая. Полученное значение энтропии S1 = 44,28 ккал/(К·моль) = 185,3 Дж/(моль·К) было сопоставлено с теоретическим результатом статистической механики идеального газа S2 = 45,10 ккал/(К·моль) = 188,7 Дж/(моль·К). Различие между этими двумя значениями составило S0 = 0,82 ± 0,05 ккал/(К·моль) = 3,4 Дж/(моль·К). Линус Полинг объяснил этот результат с высокой точностью, показав, что лед обладает конечной энтропией (оцененной в 0,81 ккал/(К·моль) или 3,4 Дж/(моль·К)) при нулевой температуре из-за конфигурационного беспорядка, присущего протонам в льду. В гексагональной или кубической фазе льда ионы кислорода образуют тетраэдрическую структуру с длиной связи O–O, равной 2,76 Å (276 пм), в то время как длина связи O–H составляет всего 0,96 Å (96 пм). Каждый ион кислорода (белый) окружен четырьмя ионами водорода (черные), а каждый ион водорода окружен двумя ионами кислорода, как показано на рисунке 5. Сохраняя внутреннюю структуру молекулы H2O, положение протона с минимальной энергией не находится ровно посередине между двумя соседними ионами кислорода. Существует два эквивалентных положения, которые может занимать водород на линии связи O–O: дальнее и близкое. Таким образом, возникает правило, приводящее к фрустрации положений протона в конфигурации основного состояния: для каждого кислорода два соседних протона должны находиться в дальнем положении, а два – в близком положении, так называемые «ледовые правила». Полинг предположил, что открытая тетраэдрическая структура льда обеспечивает множество эквивалентных состояний, удовлетворяющих ледовым правилам. Далее Полинг вычислил конфигурационную энтропию следующим образом: рассмотрим один моль льда, состоящий из N O2− и 2N протонов. Каждая связь O–O имеет два положения для протона, что приводит к 22N возможным конфигурациям. Однако из 16 возможных конфигураций, связанных с каждым кислородом, только 6 энергетически благоприятны, поскольку сохраняется ограничение молекулы H2O. Тогда верхняя граница числа состояний основного состояния оценивается как Ω < 22N N. Соответственно, конфигурационная энтропия S0 = kBln(Ω) = NkBln(N) = 0,81 ккал/(К·моль) = 3,4 Дж/(моль·К) удивительно хорошо согласуется с недостающей энтропией, измеренной Гиауком и Стоутом. Хотя расчет Паулинга не учитывал как глобальное ограничение на число протонов, так и локальное ограничение, возникающее из замкнутых контуров на решетке Вурцита, впоследствии было показано, что оценка обладает высокой точностью.

Спиновый лед

Математически аналогичная ситуация с вырождением водяного льда наблюдается в спиновых льдах. На рисунке 6 представлена типичная спин-ледяная структура в кубической структуре пирохлора, где на каждом из четырех углов находится один магнитный атом или ион. Благодаря сильному кристаллическому полю в материале, каждый магнитный ион может быть описан дублетом основного состояния Изинга с большим магнитным моментом. Это позволяет представить спины Изинга, расположенные на вершинах тетраэдрической решетки, где спины фиксированы вдоль локальной оси квантования – кубических осей <111>, совпадающих с линиями, соединяющими каждую тетраэдрическую вершину с центром. Для минимизации энергии каждая тетраэдрическая ячейка должна содержать два спина, направленных внутрь, и два спина, направленных наружу. В настоящее время спин-ледяная модель приближенно реализована в реальных материалах, в частности, в редкоземельных пирохлорах Ho2Ti2O7, Dy2Ti2O7 и Ho2Sn2O7. Все эти материалы демонстрируют ненулевую остаточную энтропию при низких температурах.

Расширение модели Полинга: общее разочарование

Модель спин-леда – лишь одно из подразделений разочарованных систем. Термин "фрустрация" изначально был введен для описания неспособности системы одновременно минимизировать конкурирующую энергию взаимодействия между своими компонентами. В общем случае, фрустрация возникает либо из-за конкурирующих взаимодействий, обусловленных структурным беспорядком (см. также модель Виллана), либо из-за особенностей решетчатой структуры, такой как треугольная, гранецентрированная кубическая (ГЦК), гексагональная плотноупакованная, тетраэдрическая, пирохлоровая и кагоме, при антиферромагнитном взаимодействии. Таким образом, фрустрацию можно разделить на две категории: первая соответствует спиновым стёклам, которые характеризуются как структурным беспорядком, так и фрустрацией спинов; вторая – геометрическая фрустрация, возникающая в упорядоченных решетках при фрустрации спинов. Фрустрация спинового стекла объясняется в рамках модели RKKY, в которой характер взаимодействия – ферромагнитный или антиферромагнитный – зависит от расстояния между двумя магнитными ионами. Из-за структурного беспорядка в спиновом стекле интересующий нас спин и его ближайшие соседи могут находиться на разных расстояниях и, следовательно, иметь различные характеристики взаимодействия, что приводит к разному предпочтительному направлению спина.

Искусственные ферромагниты с геометрическим размытием

С помощью литографических методов возможно изготовление магнитных островов субмикромного размера, геометрическое расположение которых воспроизводит фрустрацию, наблюдаемую в природных спиновых льдах. Недавно Р. Ф. Ван и др. сообщили об открытии искусственного геометрически фрустрированного магнита, состоящего из массивов литографически изготовленных ферромагнитных однодоменных островов. Эти острова располагаются вручную для создания двухмерного аналога спинового льда. Магнитные моменты упорядоченных ‘спиновых’ островов были исследованы с помощью магнитной силовой микроскопии (MFM), после чего было тщательно изучено локальное проявление фрустрации. В своей предыдущей работе, посвященной квадратной решетке фрустрированных магнитов, они наблюдали как ближнедействующие корреляции, подобные тем, что наблюдаются в спиновом льду при низких температурах, так и отсутствие дальнедействующих корреляций. Эти результаты укрепляют понимание фундаментальных аспектов физики фрустрации, которые могут быть визуализированы и смоделированы с помощью этих искусственных геометрически фрустрированных магнитов, и стимулируют дальнейшие исследования. Эти искусственно созданные фрустрированные ферромагнетики могут демонстрировать уникальные магнитные свойства при изучении их глобального отклика на внешнее поле с использованием магнитооптического эффекта Керра. В частности, немонотонная угловая зависимость коэрцитивной силы квадратной решетки оказалась связана с дефектами в искусственной спин-ледяной системе.

Геометрическое разочарование без решетки

Другой тип геометрической фрустрации возникает в результате распространения локального порядка. Основной вопрос, стоящий перед физиком конденсированного состояния, – объяснить стабильность твердого тела. Иногда удается установить определенные локальные правила химической природы, которые приводят к низкоэнергетическим конфигурациям и, следовательно, определяют структурный и химический порядок. Однако это не всегда так, и часто локальный порядок, определяемый локальными взаимодействиями, не может свободно распространяться, что и приводит к геометрической фрустрации. Общей чертой всех этих систем является то, что даже при простых локальных правилах они демонстрируют большое количество, часто сложных, структурных реализаций. Геометрическая фрустрация играет роль в различных областях физики конденсированного состояния, от кластеров и аморфных твердых тел до сложных жидкостей. Общий подход к разрешению этих сложностей состоит из двух этапов. Сначала снимается ограничение на идеальное заполнение пространства, допускается кривизна пространства. В этом искривленном пространстве определяется идеальная, не фрустрированная структура. Затем к этому идеальному шаблону применяются специфические деформации для его встраивания в трехмерное евклидово пространство. Конечная структура представляет собой смесь упорядоченных областей, где локальный порядок аналогичен порядку шаблона, и дефектов, возникающих в процессе встраивания. Среди возможных дефектов важную роль играют дисклинации.

Простые двумерные примеры

Двумерные примеры полезны для понимания происхождения конкуренции между локальными правилами и геометрией в целом. Рассмотрим сначала расположение идентичных дисков (модель гипотетического двумерного металла) на плоскости; предположим, что взаимодействие между дисками изотропно и локально стремится расположить диски максимально плотно. Оптимальное расположение для трех дисков – тривиально равносторонний треугольник, с центрами дисков, расположенными в вершинах треугольника. Таким образом, исследование структуры на больших расстояниях можно свести к изучению плоских замощений равносторонними треугольниками. Хорошо известное решение предоставляет треугольное замощение с полной согласованностью между локальными и глобальными правилами: такая система считается "не фрустрированной". Однако теперь предположим, что энергия взаимодействия минимальна, когда атомы находятся в вершинах правильного пятиугольника. Попытка распространить на большие расстояния упаковку этих пятиугольников, разделяющих ребра (атомные связи) и вершины (атомы), невозможна. Это связано с тем, что невозможно полностью покрыть плоскость правильными пятиугольниками, просто потому, что угол вершины пятиугольника не является делителем 360 градусов. Три таких пятиугольника могут легко сойтиться в одной вершине, но между двумя ребрами останется зазор. Такое несоответствие называется "геометрической фрустрацией". Существует один способ преодолеть эту трудность. Пусть поверхность, которую мы замощаем, не имеет какой-либо заданной топологии, и построим замощение, строго следуя локальному правилу взаимодействия. В этом простом примере мы видим, что поверхность приобретает топологию сферы и, следовательно, кривизну. Конечная структура, в данном случае пятиугольный додекаэдр, обеспечивает идеальное распространение пятиугольного порядка. Она называется "идеальной" (бездефектной) моделью для рассматриваемой структуры.

Плотные структуры и тетраэдрические упаковки

Стабильность металлов – давний вопрос физики твердого тела, который можно понять только в рамках квантовой механики, должным образом учитывая взаимодействие между положительно заряженными ионами и валентными и проводящими электронами. Тем не менее, возможно использовать очень упрощенную картину металлической связи, сохраняя только изотропный тип взаимодействий, что приводит к структурам, которые можно представить как плотно упакованные сферы. И действительно, кристаллические структуры простых металлов часто являются либо плотноупакованными гранецентрированными кубическими (fcc), либо гексагонально плотноупакованными (hcp) решетками. В определенной степени аморфные металлы и квазикристаллы также могут быть смоделированы плотной упаковкой сфер. Локальный атомный порядок хорошо описывается плотной упаковкой тетраэдров, приводящей к несовершенному икосаэдрическому порядку. Правильный тетраэдр – это наиболее плотная конфигурация для упаковки четырех равных сфер. Таким образом, задача плотной случайной упаковки твердых сфер может быть сопоставлена с задачей тетраэдрической упаковки. Практическое упражнение – попытаться упаковать шарики для настольного тенниса таким образом, чтобы образовать только тетраэдрические конфигурации. Начинают с четырех шаров, расположенных в виде идеального тетраэдра, и пытаются добавить новые сферы, формируя новые тетраэдры. Следующее решение, с пятью шарами, тривиально представляет собой два тетраэдра, имеющих общую грань; следует отметить, что уже с этим решением структура fcc, содержащая отдельные тетраэдрические пустоты, не демонстрирует такой конфигурации (тетраэдры имеют общие ребра, а не грани). С шестью шарами строятся три правильных тетраэдра, и полученный кластер несовместим со всеми компактными кристаллическими структурами (fcc и hcp). Добавление седьмого шара дает новый кластер, состоящий из двух "аксиальных" шаров, касающихся друг друга, и пяти других, касающихся последних двух шаров, внешняя форма которого близка к правильной пятиугольной бипирамиде. Однако теперь мы сталкиваемся с реальной задачей упаковки, аналогичной той, что возникала ранее с пятиугольной мощением в двух измерениях. Диэдрический угол тетраэдра не соизмерим с 2; следовательно, между двумя гранями соседних тетраэдров остается пустота. Как следствие, невозможно идеально замостить евклидово пространство R3 правильными тетраэдрами. Фрустрация носит топологический характер: невозможно заполнить евклидово пространство тетраэдрами, даже сильно искаженными, если мы требуем, чтобы постоянное число тетраэдров (здесь пять) имело общее ребро. Следующий шаг имеет решающее значение: поиск не фрустрированной структуры путем допущения искривления пространства, чтобы локальные конфигурации распространялись идентично и без дефектов по всему пространству.

Регулярная упаковка тетраэдров: политоп {3,3,5}

Двадцать неправильных тетраэдров с общей вершиной укладываются таким образом, что двенадцать внешних вершин образуют правильный икосаэдр. Действительно, длина ребра икосаэдра l незначительно превышает радиус описанной сферы r (l ≈ 1.05r). Решение с правильными тетраэдрами существует, если пространство не евклидово, а сферическое. Это политоп {3,3,5} в обозначениях Шлефли, также известный как 600-ячейник. Существует сто двадцать вершин, все из которых принадлежат гиперсфере S3 с радиусом, равным золотому сечению (φ = ), при условии, что длина ребер равна единице. Шестьсот ячеек – это правильные тетраэдры, сгруппированные по пять вокруг общего ребра и по двадцать вокруг общей вершины. Эта структура называется политопом (см. Коксетера), который является общим названием для многомерных объектов в ряду, включающем многоугольники и многогранники. Даже если эта структура вложена в четырехмерное пространство, она рассматривается как трехмерное (искривленное) многообразие. Этот момент концептуально важен по следующей причине. Идеальные модели, введенные для искривленного пространства, представляют собой трехмерные искривленные шаблоны. Локально они выглядят как трехмерные евклидовы модели. Таким образом, политоп {3,3,5}, являющийся мощением тетраэдрами, обеспечивает очень плотную атомную структуру, если атомы расположены в его вершинах. Поэтому он естественно используется в качестве шаблона для аморфных металлов, однако не следует забывать, что это достигается ценой последовательных идеализаций.