Электрическое поле и ионная жидкость сделали платину ферромагнитной
Нидерландские физики разработали способ получения в платине двумерных ферромагнитных слоев с помощью внешнего электрического поля. В основе предложенного метода лежит использование парамагнитной ионной жидкости в качестве среды, преобразующей изменения электрического поля в возбуждение ферромагнитного порядка в платине, пишут ученые в Science Advances.
Создание методов управления магнитными свойствами материалов с помощью электрического поля — важный шаг при разработке спинтронных устройств, в которых хранение и передача информации осуществляется, в частности, с помощью спиновых токов (подробнее о спинтронике и ее ближайших перспективах вы можете прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества»). В некоторых полупроводниковых магнитных материалах или мультиферроиках, в которых ферромагнетизм сочетается с сегнетоэлектрическими свойствами, с помощью внешнего электрического поля удавалось менять намагниченность материалов, однако все существующие на данный момент методы требуют очень больших электрических полей и жестко привязаны к начальным ферромагнитным свойствам материалов, которые обычно появляются только при достаточно низких температурах.
Нидерландские физики из Гронингенского университета под руководством Цзяньтина Е (Jianting Ye) предложили способ управления с помощью электрического поля намагниченностью изначально немагнитного материала — платины. Оказалось, что при помещении платины в парамагнитную ионную жидкость в ее поверхностном слое с помощью изменения электрического поля можно включать и выключать ферромагнитные свойства. В своей работе ученые помещали платиновую пленку толщиной в несколько нанометров в специально синтезированную ионную жидкость, состоящую из органических катионов и парамагнитных анионов FeCl4-. Эта ионная жидкость обладает низкой температурой плавления (около −70 градусов Цельсия) и даже при комнатной температуре проявляет парамагнитные свойства, реагируя на внешнее магнитное поле.
В этой системе при приложении электрического поля парамагнитные ионы жидкости перемещаются к поверхности платины, взаимодействие с которой приводит к образованию в наружном атомном слое платины ферромагнитной фазы с согласованной ориентацией спинов. Вывод о возникновении магнитного упорядочения в слое платины ученые сделали, наблюдая в платине аномальный эффект Холла — возникновение поперечного электрического поля в проводнике при протекании тока за счет внутренней намагниченности, даже без внешнего магнитного поля.
Оказалось, что холловская проводимость такой системы в зависимости от внешнего поля проявляла выраженный магнитный гистерезис с достаточно большими намагниченностью насыщения и коэрцитивной силой (порядка десятых долей теслы). Обе этих величины при этом растут при увеличении электрического напряжения, необходимого для возбуждения ферромагнетизма.
Интересной особенностью полученных двумерных ферромагнитных слоев платины стало сочетание магнитных свойств с эффектом Кондо — увеличением электрического сопротивления платины при понижении температуры вблизи абсолютного нуля вследствие как раз наличия поверхностного магнитного слоя и влияния спинов на электроны проводимости.
Ученые отмечают, что предложенная ими методика должна быть дополнительно проверена, в частности, с помощью циклических тестов, однако уже сейчас можно утверждать, что парамагнитную ионную жидкость можно использовать как универсальный инструмент для управления ферромагнитными свойствами изначально немагнитных материалов. Использоваться такой подход может в спинтронике для одновременного управления зарядовыми и спиновыми степенями свободы электронов.
Возможность возникновения в магнитных веществах аномального эффекта Холла часто используется для анализа или возбуждения необычных электронных свойств различных материалов. Например, недавно ученые обнаружили аномальный эффект Холла в другом материале — сплаве железа и олова, атомы которого располагаются по узлам треугольно-гексагональной решетки кагоме и в электронной структуре которого из-за внутреннего магнитного поля между двумя дираковскими конусами появляется запрещенная зона. А объединение в слоистые структуры топологического изолятора с аномальным эффектом Холла и сверхпроводящего ниобия помогло физикам впервые обнаружить состояния, которые ведут себя как майорановские частицы.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».