Физики решили загадку низкотемпературного магнетизма

12 июня 2015 г., 16:05

Исследователи сделали экспериментальный прорыв в объяснении редкого свойства экзотического магнитного материала, потенциально открывая путь к новым технологиям. Многие из завтрашних наиболее перспективных инноваций, от хранения информации до магнитных холодильников, опираются на сложные магнитные материалы, и это достижение открывает дверь в освоение физики, которая управляет поведением этих материалов.

Работа, возглавляемая физиком Игнасом Джарриджем (Ignace Jarrige) из Брукхейвенской национальной лаборатории и проф. Джейсоном Хэнкоком (Jason Hancock) из Университета штата Коннектикут, выполненная совместно с сотрудниками из Аргоннской национальной лаборатории и из Японии, представляет большой прогресс в поиске практических материалов, которые позволят разработать несколько типов технологий следующего поколения. Статья, описывающая результаты команды, была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Работа связана с эффектом Кондо, физического явления, которое объясняет, как магнитные примеси влияют на электрическое сопротивление материалов. Исследователи рассматривали материал под названием иттербий-индий-медь-четыре, обычно описываемого химической формулой YbInCu4.

Давно известно, что YbInCu4 обладает уникальным переходом, являющимся результатом изменения температуры. Ниже определенной температуры магнетизм материала исчезает, а выше этой температуры он обладает сильными магнитными свойствами. Этот переход, который озадачивал физиков на протяжении десятилетий, недавно раскрыл свою тайну. «Мы обнаружили щель в электронном спектре, аналогичной той, что нашли в полупроводниках, таких как кремний, в котором энергетический сдвиг при переходе вызывает резкое усиление эффекта Кондо», - сказал Джарридж.

Электронные энергетические щели определяют, как электроны движутся (или не движутся) в материале, и являются важным компонентом в понимании электрических и магнитных свойств материалов. «Наше открытие доказывает, что специально подогнанные щели в полупроводниках могут быть использованы в качестве удобного механизма для точного управления эффектом Кондо и, следовательно, магнетизмом в технологических материалах», - сказал Джарридж.

Чтобы обнаружить энергетическую щель, команда использовала процесс, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS), новый экспериментальный метод, который стал возможным за счет мощного рентгеновского излучения, генерированного синхротроном Министерства энергетики, который располагается в Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго. Разместив материалы в фокусе рентгеновского пучка, и измеряя и анализируя рассеяние рентгеновских лучей, команда смогла раскрыть неуловимые свойства, такие как энергетическая щель, и связать их с загадочным магнитным поведением.

Новая физика, выявленная в данной работе, дает план к разработке материалов с сильными "магнитокалорическими" свойствами, склонности материала изменять температуру в присутствии магнитного поля. «Эффект Кондо в YbInCu4 включается при очень низкой температуре 42 К, - сказал Хэнкок. - Но теперь мы понимаем, почему это происходит, и предполагаем, что это может произойти в других материалах вблизи комнатной температуры». Если будут обнаружены такие материалы, то, по мнению Хэнкока, это могло бы революционизировать технологии охлаждения.

В дополнение к возможным применениям в технологии, работа продвинула методы в исследованиях. «Техника RIXS, которую мы разработали, может быть применена в других основных областях энергетических исследований», - сказал Хэнкок, отметив, что развитие является очень своевременным, и что это может быть полезно в поисках "топологических изоляторов Кондо", материалов, которые были предсказаны теоретически, но до сих пор не обнаружены.

Физики решили загадку низкотемпературного магнетизма