Структурная неустойчивость в кристаллах BaZrO$_3$: расчеты и эксперимент

Из первых принципов методом функционала плотности рассчитан фононный спектр кубического цирконата бария. Неустойчивый фонон симметрии $R_{25}$, наблюдаемый в фононном спектре, свидетельствует о неустойчивости структуры BaZrO$_3$ относительно поворотов кислородных октаэдров. Показано, что основное состояние кристаллов имеет симметрию $I4/mcm$. С целью поиска предсказываемой расчетами неустойчивости исследована локальная структура BaZrO$_3$ методом EXAFS-спектроскопии при 300 K на $L_{\mathrm{III}}$-крае поглощения Ba. Аномально высокие значения фактора Дебая–Уоллера для пар атомов Ba–O ($\sigma^2_1\sim$ 0.015 $\mathring{\mathrm{A}}^2$) связываются с проявлением обсуждаемой структурной неустойчивости. Оцененная по измеренным значениям $\sigma^2_1$ средняя амплитуда поворотов октаэдров, вызванных тепловыми колебаниями, составляет $\sim$4$^\circ$ при 300 K. Близость расчетных энергий различных искаженных фаз, появляющихся при конденсации моды $R_{25}$, позволяет предположить возможность образования состояния структурного стекла в BaZrO$_3$ при понижении температуры и таким образом объяснить причину расхождения результатов расчетов и эксперимента по дифракции.