Спиновый кроссовер и магнитная $P{-}T$ фазовая диаграмма гематита при высоких гидростатических давлениях и криогенных температурах

Магнитные свойства гематита $\alpha$-Fe$_2$O$_3$ исследованы при высоком гидростатическом давлении методом синхротронной мессбауэровской спектроскопии NFS (Nuclear Forward Scattering) на ядрах железа. Временны́е NFS-спектры гематита измерялись в камере высокого давления с алмазными наковальнями в диапазоне давлений $0$–$72$ ГПа и температур $36$–$300$ K, с целью изучения магнитных свойств при фазовом переходе в области критического давления $\sim50$ ГПа. Кроме того, при комнатной температуре изучены спектры комбинационного рассеяния света в диапазоне давлений $0$–$77$ ГПа. В качестве среды, передающей давление, использовался Ne. При давлении $\sim48$ ГПа обнаружено возникновение промежуточного электронного состояния, вероятно связанного со спиновым кроссовером в ионах железа Fe$^{3+}$ при их переходе из высокоскороспиного состояния (HS, $S = 5/2$) в низкоспиновое (LS, $S=1/2$). Установлено, что диапазон переходной области HS–LS кроссовера по давлению находится между $48$ и $55$ ГПа и почти не зависит от температуры. Этот удивительный результат совершенно отличается от других случаев спинового кроссовера в ионах Fe$^{3+}$, наблюдавшихся в других кристаллах на основе оксидов железа. Как правило, переходная область спинового кроссовера возникает из-за эффекта термических флуктуаций между HS- и LS-состояниями в критической области давлений, и значительно сужается при охлаждении вследствие подавления термических возбуждений. По результатам измерений построена магнитная $P{-}T$ фазовая диаграмма $\alpha$-Fe$_2$O$_3$ при высоких давлениях и низких температурах в области спинового кроссовера.