Иллюстрация: Cipintina / Wikimedia commons. Практически все вещества классифицируются по их магнитным свойствам на три основные категории: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Ферромагнетики выделяются среди остальных веществ своими уникальными магнитными характеристиками. Эти материалы обладают ярко выраженными магнитными свойствами, что делает их незаменимыми в различных областях применения, таких как электротехника, электроника и приборостроение. Способность ферромагнетиков усиливать внешнее магнитное поле обуславливает их широкое использование в устройствах, где требуется создание сильных магнитных полей или сохранение намагниченности. Магнитная проницаемость ферромагнетиков может достигать чрезвычайно высоких значений, измеряемых сотнями тысяч. Это означает, что ферромагнитные материалы способны усиливать внешнее магнитное поле в сотни тысяч раз.
Ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.
Природа внутриатомных магнитных полей, способных ориентироваться и упорядочиваться под действием внешнего магнитного поля, у ферромагнетиков связана не с движением электронов вокруг атомных ядер, а с внутренними магнитными полями самих электронов.
Исследование свойств элементарных частиц показало, что все частицы, обладающие электрическими зарядами, имеют и собственные магнитные поля. Заряженные частицы подобны круговым электрическим токам. Все элементарные частицы одного вида обладают совершенно одинаковыми магнитными полями. Собственное магнитное поле электрона значительно сильнее магнитного поля, создаваемого электроном при его движении вокруг ядра. По этой причине ферромагнетики, в которых внешне поле усиливается благодаря сложению собственных магнитных полей электронов, обладают значительно большей магнитной проницаемостью, чем парамагнетики. Магнитная проницаемость ферромагнетика m = В/Н непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля
Для более глубокого понимания природы ферромагнетизма необходимо выяснить ещё один вопрос. Если ферромагнитные свойства обусловлены действием собственных магнитных полей электронов, то почему же тогда этими свойствами не обладают все вещества? Ведь электроны есть в составе всех атомов.
Большинство веществ не обладает ферромагнитными свойствами, потому что при заполнении электронных оболочек атомов электроны располагаются таким образом, что их магнитные поля направлены противоположно и компенсируют друг друга. При таком расположении электронов их потенциальная энергия взаимодействия минимальна.
Если атомы имеют нечётное число электронов на оболочках, то магнитные поля неспаренных электронов взаимно компенсируются при соединении в молекулы или при объединении атомов в кристалл.
Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллах располагаются таким образом, что собственные магнитные поля неспаренных электронов оказываются направленными параллельно друг другу и внутри кристалла образуются микроскопические намагниченные области – домены. В разных доменах ориентация магнитного поля различна, их суммарное магнитное поле равно нулю. При помещении во внешнее магнитное поле внутренние магнитные поля доменов ориентируются по направлению внешнего поля, ферромагнетик намагничивается.
Упорядоченное расположение магнитных полей электронов в доменах ферромагнетиков при достаточно высокой температуре разрушается беспорядочными тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решётки. Температура , выше которой ферромагнитное вещество теряет свои ферромагнитные свойства, называется температурой Кюри. Железо, например, перестаёт быть ферромагнетиком при температуре 770˚С, никель – при температуре 356˚.
Ферромагнитные материалы условно можно разделить на два типа: магнито-мягкие и магнито-жёсткие материалы. Магнито-мягкими называют такие ферромагнитные материалы, у которых после прекращения действия внешнего магнитного поля собственное магнитное поле почти полностью исчезает, вещество размагничивается. Из магнито-мягких материалов изготавливаются сердечники трансформаторов, электромагнитов.
Магнито-жёсткие материалы используются для изготовления постоянных магнитов, магнитных лент и дисков для магнитной записи и хранения информации.
Применение ферромагнетиков:
- Электротехника: Трансформаторы, электродвигатели, генераторы и другое электротехническое оборудование используют ферромагнетики для эффективного преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, а также для повышения эффективности работы.
- Электроника: Ферромагнитные материалы используются в накопителях информации (жесткие диски, магнитные ленты), динамиках, телефонах, микрофонах и других устройствах, где требуется создание магнитных полей.
- Приборостроение: В электроизмерительных приборах, компасах и других устройствах, где требуется сохранение магнитной информации или создание определенного магнитного поля, применяются ферромагнетики.
- Постоянные магниты: Магнитотвердые ферромагнетики, обладающие высокой коэрцитивной силой, используются для создания постоянных магнитов в различных устройствах, включая динамики, генераторы и моторы.
- Неразрушающий контроль: Ферромагнитные материалы применяются в методах неразрушающего контроля для выявления дефектов в металлических изделиях.
- Медицина: В медицине ферромагнитные жидкости используются в высокочастотных динамиках для отвода тепла, а также в исследованиях и диагностике раковых опухолей.
В целом, ферромагнетики являются ключевыми материалами для создания различных устройств и систем, использующих магнитные явления. Их способность усиливать внешнее магнитное поле и сохранять намагниченность делает их незаменимыми в современной технике.
Обнаружено влияние мезомасштабной симметрии на поведение низкотемпературных ферромагнетиков
Для низкотемпературных фазовых переходов в ферромагнетиках оказалось характерно разрушение доменной структуры. В статье в Nature физики пишут, что для теоретического описания динамики таких переходов необходимо скрупулезно учитывать не только микроскопическую, но и мезомасштабную симметрию. Это открытие указывает на возможность существования неклассических свойств в квантовых материалах. Ферромагнитные материалы имеют два уровня структурного порядка: микроскопический и мезоскопический. На уровне атомов друг с другом взаимодействуют соседние спины, выстраиваясь преимущественно вдоль оси легкого намагничивания. На мезоскопическом уровне магнитные моменты появляются уже у доменов — областей размером в кубические миллиметры. Внутри каждого домена спины сонаправлены, а в соседних — суммарные магнитные моменты имеют разное направление, которое может отличаться от направления легкой оси.
При фазовом переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние магнитные моменты разупорядочиваются, и оба порядка — и микроскопический, и мезоскопический — разрушаются. В случае классических фазовых переходов, которые происходят из-за тепловых флуктуаций, ученые часто учитывают и разрушение доменов. В отличие от классических фазовых переходов, квантовые происходят из-за квантовых флуктуаций при температурах близких к абсолютному нулю. Несмотря на то, что оба класса фазовых переходов имеют общий флуктуационный характер и для их описания используются одни и те же параметры и уравнения статистической физики, квантовые ферромагнитные фазовые переходы до сих пор описывали без учета мезоструктуры материала.
Группа ученых под руководством Маттиаса Войты (Matthias Vojta) и Кристиана Пфляйдерера (Christian Pfleiderer) из Технического университета Мюнхена и Технического университета Дрездена впервые показала, что при рассмотрении квантовых фазовых переходов из ферромагнитного в парамагнитное состояние необходимо учитывать доменную структуру. Чтобы показать, как мезоструктура влияет на фазовый переход, авторы взяли смешанный фторид лития и гольмия LiHoF4, ферромагнитный ниже 1,63 кельвина. Физики вызывали фазовый переход, прикладывая поле, перпендикулярное легкой оси. Оно разрушало микроскопический порядок.
Параметром порядка, по которому авторы определяли фазовый переход, служила магнитная восприимчивость — коэффициент пропорциональности между внешним магнитным полем и намагниченностью образца. У ферромагнетиков она больше единицы, у парамагнетиков близка к нулю. Согласно классическим фазовым теориям, в частности теории среднего поля, восприимчивость логарифмически убывает при переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние, если не учитывать доменную структуру, поэтому физики изучали, как меняется восприимчивость в зависимости от внешнего магнитного поля.
Сначала ученые рассмотрели классический случай, когда внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно магнитной оси. Как и предсказывает теория, вплоть до критического значения напряженности магнитного поля (когда происходит переход) восприимчивость не менялась, а при переходе через критическое значение — начинала плавно убывать с ростом напряженности. Несоответствие с теорией физики обнаружили, когда изменили угол приложения поля, таким образом, его проекция на легкую ось стала ненулевой. При достижении критической напряженности магнитная восприимчивость резко падала. Также ученые наблюдали сильное уменьшение критической напряженности при уменьшении угла (соответственно увеличении проекции) между легкой осью и направлением напряженности.
Слева — зависимость действительной части магнитной восприимчивости от внешнего магнитного поля. Согласно приближению, не учитывающему доменную структуру, восприимчивость должна плавно убывать при значениях напряженности больше критического. Однако если поле приложено под углом, восприимчивость резко падает при достижении критических значений напряженности. Справа — модель доменной структуры LiHoF4, предложенная авторами для описания фазового перехода. Вертикальная ось z — ось легкого намагничивания. Магнитное поле B направлено к ней под углом. Andreas Wendl et al. / Nature
Несоответствие характера изменения восприимчивости теории послужило одним из обоснований влияния доменов на переход. Резкое изменение восприимчивости, по мнению авторов работы, свидетельствует о спонтанном нарушении симметрии, но поскольку микроскопическая симметрия разрушается при приложении поля из-за особенностей структуры фторида лития и гольмия, единственная оставшаяся симметрия, которую можно разбить, — домены.
Чтобы подтвердить эмпирические выводы, авторы разработали теоретическую модель, которая учитывает доменное взаимодействие. В этой модели суммарные магнитные моменты доменов ориентированы вдоль оси легкого намагничивания и оси наложения поля, домены с разным направлением вдоль легкой оси чередуются. Сами домены имеют прямоугольную форму, толщина антинаправленных доменов уменьшается с ростом магнитного поля. При фазовом переходе сначала разрушается микроскопический порядок, а потом истончаются и разрушаются антинаправленные домены и затем происходит полное разупорядочивание моментов. При таком описании энергию взаимодействия доменов можно представить как энергию взаимодействия магнитных моментов атомов, только имеющую большую величину и нормированную на объем домена. Эта модель показала отличное согласие с экспериментальными данными как для микроскопического случая — когда поле приложено перпендикулярно легкой оси и доменным взаимодействием можно пренебречь, — так и для случая наклонного поля.
Работа ученых показывает, что наличие доменной структуры меняет характер ферромагнитного квантового фазового перехода и влияет на значение критических параметров, в частности критической напряженности. Поэтому для описания систем с мезоскопической симметрией необходимо учитывать доменное взаимодействие, которое может быть определяющим механизмом переходов. Физики пишут, что эти механизмы могут привести к появлению у квантовых материалов каких-то новых свойств , которых нет у классических аналогов. А также дает возможность оценить квантовую запутанность спиновых систем и изучить процессы туннелирования одиночных моментов и доменных стенок.
Для исследования квантовых фазовых переходов все чаще применяют квантовые симуляторы, например, в прошлом году 256-кубитный вычислитель открыл несколько квантовых фаз, а другой обнаружил фазовый переход сквозь шум.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
