Ученые создали новый вид магнитной керамики
Исследователи из Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, МФТИ и их иностранные коллеги создали новый вид магнитной керамики и провели его экспериментальное исследование. Обнаруженные ими свойства оказались весьма привлекательными для нужд терагерцовой электроники — в системах связи, медицине, безопасности, для создания новых измерительных приборов, в астрофизике и для элементов компьютерной памяти.
Работа опубликована в журнале Materials Horizons. Магнетизм проистекает из удивительного мира квантовой физики. Он обусловлен специфическим свойством электронов, известным как спин, который придает им магнитные характеристики. Когда электроны тесно связаны с атомами, они придают последним спиновый магнитный момент, равный сумме магнитных моментов всех электронов. Это превращает атомы в микроскопические стрелки компаса при условии, что их общий магнитный момент не равен нулю. В магнитноупорядоченных средах, например, спины атомов упорядочены благодаря межатомным взаимодействиям, что приводит к возникновению магнитного момента у всего материала, известного как намагниченность. Это свойство позволяет материалу сильно взаимодействовать магнитным полем, притягиваясь к другим магнитам или отталкиваясь от них.
Магнитные материалы можно разделить на две основные категории: магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие легко изменяют ориентацию своих атомных спинов, в то время как магнитотвердые сохраняют свою намагниченность даже в присутствии сильных магнитных полей. Интенсивность магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности материала на противоположную, называется коэрцитивной силой. У магнитомягких ферритов она не превышает нескольких сотен напряженностей магнитного поля Земли, и такие материалы используются в сердечниках трансформаторов.
Магнитотвердые материалы могут давать магнитную напряженность, в тысячи раз превышающую силу земного магнетизма. Измеряют напряженность магнитного поля в эрстедах, и поле Земли примерно равно половине одного эрстеда. Магнитотвердые материалы применяют в основном в электродвигателях и генераторах для преобразования механической энергии в электричество за счет электромагнитной индукции. В наше время постоянные магниты стали использовать в виде наночастиц в магнитных лентах с высокой плотностью записи и низкой себестоимостью записи и хранения одного бита, например в магнитных лентах Fujifilm.
В последние десятилетия проводятся активные исследования и эксперименты в области создания новых магнитотвердых материалов с целью получения более мощных магнитов, имеющих стабильные свойства, пригодных для целей терагерцовой электроники. Немаловажна и стоимость материалов: ферритовая керамика в изготовлении намного дешевле неодимовых магнитов. Преимуществами такой керамики также являются устойчивость к коррозии, пластичность и хорошие диэлектрические свойства, которые не допускают отражения электромагнитной волны.
Коллектив ученых занимается магнитотвердыми керамиками уже несколько лет. Например, изучал керамику, изготовленную из эпсилон-оксида железа, о чем мы писали в прошлом году. Текущая работа связана с поиском, созданием и исследованием еще более подходящих материалов для практических целей.
В этот раз Евгений Горбачев с коллегами изготовили плотную керамику гексаферрита со сложным химическим составом, включающим атомы стронция, кальция, железа, алюминия и кислорода. Все эти ухищрения необходимы, чтобы плотная керамика сохранила свою высокую магнитотвердость, поскольку, как правило, магнитные частицы в плотных образцах размагничивают себя сами и коэрцитивная сила таких материалов крайне низка. Впервые были изучены ее магнитостатические и магнитодинамические свойства в интервале температур от очень низких (гелиевых) до комнатных. В ходе экспериментов было обнаружено, что ферритовая керамика сохраняет высокую магнитную твердость во всем диапазоне температур, что важно для ее практического использования.
Сначала ученые получали порошок гексаферрита при температуре 1200 градусов по Цельсию. Затем его обжигали при температурах 1300 и 1400 градусов по Цельсию, делая из него керамику. После всего этого керамика охлаждалась и ее свойства исследовались. Керамика от порошка отличается и плотной формой, и распределением частиц внутри: если в порошке размеры частиц отличаются не столь сильно, то в керамике достаточно много частиц разных размеров, в том числе много больших.
Были проведены исследования по изменению свойств материала под действием магнитного поля. Оказалось, что когда ученые впервые намагничивали керамику, это привело к тому, что она начала меньше поглощать на определенной частоте энергию, которая называется резонансной. Материал как будто становится менее «слышимым» для этой частоты. При напряженности поля 5 кЭ (5 тысяч эрстедов) резонансная линия, которая показывает, как материал реагирует на эту частоту, почти полностью исчезает. Это означает, что материал практически не реагирует на воздействие излучения этой частоты, что позволяет уменьшить энергетические потери.
Для керамики, которая уже была намагничена и сохраняет некоторую намагниченность (остаточная намагниченность), было обнаружено, что ее реакция на внешнее магнитное поле изменяется линейно. Проще говоря, изменяя внешнее магнитное поле, мы можем точно настраивать реакцию материала на определенные частоты. Это как настройка радиоприемника на нужную волну, только вместо радиоволн мы используем
магнитное поле для настройки.
Авторы исследования впервые показали необходимость высокой коэрцитивной силы для обратимой настройки частоты ФМР. Чем больше коэрцитивная сила материала — тем в более широком диапазоне можно проводить настройку ФМР с измерением направления внешнего магнитного поля. Если коэрцитивная сила материала низкая, то даже в небольших магнитных полях происходит перемагничивание материала и сильное измерение спектра ФМР, а исходную частоту ФМР можно восстановить только после насыщения образца в большом магнитном поле.
«Стандарт 5G, активно внедряемый в последние годы, оперирует частотами в десятки гигагерц. Магнито-твердая керамика позволяет работать с существенно большими частотами. Это даст возможность осуществить переход к телекоммуникациям новых поколений — разрабатываемому в настоящее время стандарту 6G и последующим», — пояснила Людмила Алябьева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.
«Как было показано нами ранее теоретически (в работе E.A. Gorbachev, et al. Sub-terahertz/terahertz electron resonances in hard ferrimagnets / Materials Today, 63, 2023), магнитотвердые диэлектрики являются единственным на сегодняшний день классом материалов с магнитными электронными резонансами, который может использоваться для создания практической терагерцовой электроники», — сказал Евгений Горбачев, кандидат химических наук, старший преподаватель Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне и первый автор статьи.
«За счет эффекта резонансного поглощения в данных средах электромагнитная волна может эффективно (с высоким КПД) преобразовываться в спиновый ток и классическую разность потенциалов, что, по сути, является механизмом работы детектора. Возможна и обратная ситуация, когда постоянный ток может преобразовываться колебания спиновой системы и генерации терагерцовой волны», — добавил Евгений Горбачев.
Он подробно рассказал и о ближайших перспективах применения сделанных открытий: «Слоистые структуры “магнитный изолятор / металл” могут использоваться как детекторы или генераторы высокочастотного излучения. При детектировании поляризованный импульс намагниченности, которая обладает максимальной кинетической энергией при резонансе, передается электрону в металле, в котором при этом возникает спиновый ток. Далее в зависимости от типа металла за счет различных эффектов квантовой электродинамики этот спиновый ток можно преобразовать в ток заряда или разность потенциалов. Уже около 30 лет для таких устройств применяются магнитомягкие ферримагнетики, например гранаты.
Для их работы требуется внешнее магнитное поле, и резонансные частоты достигают всего 20 ГГц. Лишь четыре года назад были созданы устройства на основе антиферромагнитных резонансов, работающие на частотах до 300 ГГц. Однако из-за низкой восприимчивости резонансы и спиновые токи в этом случае получаются слабыми. Год назад в нашей группе были впервые предложены магнитотвердые ферримагнетики-диэлектрики для таких устройств. Теоретически такие материалы должны обладать очень сильными ферромагнитными резонансами на субтерагерцовых и терагерцовых частотах. При этом они способны работать без внешнего магнитного поля».
Сделанные в работе экспериментальные исследования открывают новые горизонты для развития промышленной терагерцовой электроники и спинтроники на основе диэлектрических ферримагнетиков.
Помимо ученых из МФТИ, в работе принимали участие их коллеги с факультета наук о материалах МГУ-ППИ в Шэньчжэне, из Института физики университета Штутгарта (Германия) и Национального научного центра Великобритании по изучению источников синхротронного света, расположенного в Харвеллском научно-инновационном кампусе в Оксфордшире.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно