Магнитные свойства материалов научились измерять с атомарным разрешением
Ученые разработали метод получения изображений с информацией о магнитных свойствах материалов с атомарным разрешением. Этот метод, основанный на спектроскопии энергетических потерь электронов, в частности, позволил определить магнитные свойства отдельных атомов двойного перовскита Sr2FeMoO6, пишут авторы исследования в Nature Materials.
Возможность напрямую из эксперимента получить информацию о магнитных свойствах отдельных атомов в магнитном материале очень привлекательна для физиков, потому что с помощью нее можно связать между собой заряд, спин и особенности кристаллической решетки, и точнее управлять физическими свойствами магнитных материалов. Но даже наиболее точные из современных методов позволяют получать значения тех или иных магнитных параметров либо исключительно для поверхностного атомного слоя, либо для сравнительно больших областей размером не меньше 10 нанометров, включающих большое количество атомов. В некоторых случаях этого недостаточно — например, для материалов, которые предлагают сейчас использовать для спинтроники, где на счету каждый отдельный спин.
Физики из Китая, Германии, Швеции и Японии под руководством Сяояня Чжуна (Xiaoyan Zhong) из Университета Цинхуа предложили для повышения точности картирования магнитных свойств материалов до атомарного уровня использовать сочетание методов спектроскопии характеристических потерь энергии электронами и просвечивающей электронной микроскопии с хроматической коррекцией аберрации. Первый метод позволяет измерить магнитный круговой дихроизм, а второй — фокусирует электронный пучок и увеличивает пространственное разрешение до одного атома.
В результате такого подхода можно определить магнитный и орбитальный момент с пространственным разрешением в один атомарный слой. Картина сигнала энергетических потерь записывается в таком методе для двух положений апертуры спектроскопа: положительного (оно соответствует, например, левой круговой поляризации рентгеновского пучка при исследовании магнитных свойств с помощью рентгена) и отрицательного (соответствующего правой поляризации). Вычитая один сигнал из другого, можно получить картину магнитного кругового дихроизма с атомарным разрешением, которая несет информацию о спиновом и орбитальном моментах каждого отдельного атома.
Предложенный метод авторы работы проверили на магнитном оксидом материале состава Sr2FeMoO6 со структурой двойного перовскита, который состоит из атомных слоев, включающих в себя элементы различных металлов.
Ученым удалось получить нужную информацию о магнитных свойствах атомов железа, стронция и молибдена в структуре исследованного материала, однозначно различив магнитные и немагнитные атомы. Для подтверждения достоверности полученных экспериментальных данных картину неупругого рассеяния электронов ученые смоделировали численно. Моделирование также помогло установить оптимальную толщину образцов для исследования предложенным методом, которая составила от 10 до 20 нанометров.
По словам авторов работы, предложенный ими метод можно использовать для очень широкого спектра различных спиновых конфигураций в магнитных материалах. В будущем это поможет точнее определить природу магнитных свойств различных материалов и точнее управлять ими.
Отметим, что методы электронной микроскопии, несмотря на то, что уже достигли атомарного разрешения, до сих продолжают активно развиваться. В частности, это касается получения трехмерных и видеоизображений, с помощью которых можно следить за колебанием электромагнитных полей, распространением дефектов в кристаллах или динамикой диффундирующих наночастиц.
Александр Дубов
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.