Исследование натриевых кобальтатов NaₓCoO₂ методами ЯМР-, ЯКР- и мюонной спектроскопии

Проведены исследования методами ЯМР/ЯКР и мюонной спектроскопии различных фаз соединения NaₓCoO₂ с различным содержанием натрия, а также сверхпроводящей фазы Na₀,₃₅CoO₂•1,3H₂O с TC ~4К. Выделены четыре стабильные фазы на участке фазовой диаграммы натриевых кобальтатов NaₓCoO₂ с содержанием натрия 0,65<x<0,8, и получены монофазные образцы этих фаз. Обнаружены две фазы натриевых кобальтатов, переходящие в магнитоупорядоченное состояние при низких температурах: Na₀,₈₂CoO₂ с Tm=27(1)K и Na₀,₉₀CoO₂ с Tm=19,8(1)K. Продемонстрировано, что используя спектры ЯКР ⁵⁹Co или ЯМР ²³Na, можно эффективно отделять монофазные образцы от образцов, содержащих смесь различных фаз. Показано, что в фазе с x=0,35 и сверхпроводящей фазе наблюдаются единое зарядовое состояние атомов кобальта и отсутствие упорядочения атомов натрия. Во всех фазах с содержанием натрия x>0,45 наблюдается упорядочение атомов натрия. Методами ЯМР и ЯКР была определена структура упорядочения атомов натрия в соединениях Na₂/₃CoO₂ и Na₀,₇₇CoO₂. Это упорядочение в Na₂/₃CoO₂ приводит к зарядовому расслоению атомов кобальта в плоскостях на две подрешетки: треугольной решетки из немагнитных Со³⁺ и решетки типа "кагомэ", состоящей из магнитных атомов Со с зарядовым состоянием 3,44+, для которых экспериментально обнаружена необычно большая анизотропия магнитных свойств. Подобное зарядовое расслоение атомов кобальта на немагнитное состояние Co³⁺ и магнитное с зарядом кобальта ~3,5+ оказалось характерным для различных фаз натриевых кобальтатов с x>0,55, причем различия в структуре упорядочения атомов натрия обусловливают отличия магнитных свойств различных фаз. Однако, в отличие от ВТСП купратов, в кобальтатах допирование не приводит к увеличению беспорядка в системе, а упорядочение атомов допанта (натрия) приводит к упорядоченному зарядовому диспропорционированию в плоскостях CoO₂, допированных дырками. Данные выполненных измерений ядерной спин-решеточной релаксации ²³Na показывают, что соединение Na₂/₃CoO₂ может рассматриваться как практическая реализация 2-мерного ферромагнитного металла.