Спиновый HS–LS переход и последовательность фазовых превращений в кристалле BiFeO$_3$ при высоких давлениях

При воздействии высоких давлений в кристалле мультиферроика BiFeO$_3$ в области 45–55 ГПа обнаружен переход ионов железа Fe$^{3+}$ из высокоспинового (HS) $S=5/2$ в низкоспиновое (LS) $S=1/2$ состояние. Этот эффект исследован в камерах высокого давления с алмазными наковальнями двумя экспериментальными методами, использующими синхротронное излучение: ядерное резонансное рассеяние вперед (NFS – синхротронная мессбауэровская спектроскопия) и рентгеновскую эмиссионную Fe-$K_\beta$ спектроскопию высокого разрешения (XES). Спиновый HS$\to$LS переход коррелирует с аномалиями магнитных, оптических, транспортных и структурных свойств кристалла. При комнатной температуре переход не носит скачкообразный характер, а растянут на интервал давлений порядка 10 ГПа из-за термических флуктуаций между HS и LS состояниями. Установлено, что переход диэлектрика BiFeO$_3$ в металл происходит только в низкоспиновой фазе, и первопричиной всех фазовых превращений является HS–LS кроссовер.