Тепловые флуктуации развернули магнитный момент в решетках из наномагнитов

Структура магнитостатического поля в области между дипольными элементами в решетке

S. Gliga et al./ Nature Materials, 2017

За счет релаксации магнитных моментов тепловая энергия окружающей среды может приводить к медленному вращению магнитного момента в решетке из наномагнитов. Такой эффект обнаружила международная группа материаловедов, исследуя искусственные хиральные решетки с ограниченным количеством возможных магнитных состояний. Результаты работы опубликованы в Nature Materials.

Преобразование тепловой, химической и электрической энергии в механическое движение лежит в основе работы любого двигателя. Так, тепловое расширение газа используется для выполнения механической работы в двигателе внутреннего сгорания, а электрический ток позволяет получать механическую энергию с помощью электродвигателя. Для преобразования в движение химической энергии в макроскопических системах обычно используется промежуточное звено: сначала она преобразуется в электрическую энергию в химическом источнике тока, а только потом — в механическую. Зато напрямую химическая энергия позволят совершать механическую работу, например, при работе молекулярных машин.

В новом исследовании международный коллектив физиков предложил способ превращать на наноуровне тепловую энергию в контролируемое вращение магнитного момента системы упорядоченных наномагнитов, которое потом можно использовать для возбуждения механического движения. Для этого ученые использовали хиральные решетки, в которых вытянутые магнитные наночастицы из сплава железа и никеля длиной 470 нанометров и толщиной 170 нанометров располагались по узлам квадратной решетки с периодом 425 нанометров.

Такие системы называют искусственным спиновым льдом, и в них образуются две подрешетки: половина магнитных моментов в них направлена в одну сторону, а вторая половина — повернута относительно них на 90 градусов. Из-за пространственного ограничения у каждого из магнитных диполей возможно только два направления, причем в любом случае будет возникать энергетически напряженное состояние и такая система будет обладать ненулевой энтропией даже при температуре абсолютного нуля.

В исследуемых в данной работе решетках возможны две основных конфигурации, у которых средний магнитный момент всей системы направлен в двух противоположных направлениях. При отсутствии внешнего магнитного поля обе конфигурации являются равнозначными, но если магнитное поле включить, такие системы могут постепенно переходить из одной конфигурации в другую. При этом магнитный момент поворачивается постепенно: сначала в одной подрешетке, а потом — в другой.

Основным двигателем переворота в нужную конфигурацию является тепловая энергия окружающей среды. Из-за тепловых флуктуаций и постепенного изменения магнитных моментов отдельных элементов начинает медленно поворачиваться и общий магнитный момент всей системы. В случае внешнего магнитного поля величиной 50–80 микротесла решетка, состоящая приблизительно из 1000 элементов, полностью меняет свой магнитный момент на противоположный примерно за сутки.

При этом существуют две возможные последовательности изменения конфигураций (по часовой стрелке и против), одна из которых оказалась энергетически выгодной, а вторая — невыгодной. То есть такая решетка магнитных диполей проявляет хиральные свойства. Причиной возникновения хиральности в такой системе и появления приоритетного направления поворота магнитного момента системы ученые называют топологию магнитостатического поля, которое возникает внутри материала при небольшом отклонении направления внешнего магнитного поля от направления конечной ориентации магнитного момента системы. Поэтому, вращая внешнее магнитное поле и изменяя его величину, можно управлять скоростью и направлением поворота магнитного момента.

Ученые утверждают, что такие решетки искусственного спинового льда можно использовать в наноустройствах для создания магнитных моторов, которые преобразуют тепловую энергии в механическую.

Хиральные вихревые магнитные структуры могут образовываться и из отдельных спинов вследствие антисимметричного магнитного взаимодействия. Управлять такими образованиями довольно сложно, и для этого предложено несколько способов, например с помощью бомбардировки ионами аргона или механического воздействия.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.