Ученые синтезировали ферромагнитный при комнатной температуре рутений
Американским физики синтезировали новое простое вещество, которое обладает ферромагнитными свойствами при комнатной температуре, — это тетрагональная фаза рутения. Рутений стал лишь четвертым элементом после железа, кобальта и никеля, обладающим подобными свойствами, при этом, в отличие от предшественников, у рутения ферромагнитная фаза метастабильная, пишут ученые в Nature Communications.
Как правило, когда говорят про магнитные вещества, в первую очередь понимают ферромагнетики. За счет того, что в этих веществах образуются крупные области микрометрового размера, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону, весь кристалл способен намагничиваться при воздействии внешнего поля и сохранять достаточно большой магнитный момент даже после того, как это поле уберут. Ферромагнитных материалов сейчас известно довольно много, однако на сегодняшний день было известно всего три простых вещества, которые обладают ферромагнитными свойствами при комнатной температуре. Все три элемента — железо, кобальт и никель — металлы из четвертого периода таблицы Менделеева, то есть относятся к восьмой группе по старой классификации (в короткой версии таблицы) и входят в так называемую триаду железа. Также ферромагнитные свойства характерны для некоторых редкоземельных металлов (например гадолиния и диспрозия), однако у них эти свойства проявляются при температурах ниже комнатной. Например, у гадолиния магнитные свойства пропадают при 20 градусах Цельсия.
Теоретически возможное наличие ферромагнетизма при комнатной температуре предсказывалось еще у нескольких элементов подгруппы железа, в частности рутения и осмия, однако по данным расчетов, проявляться он должен был у тетрагональной кристаллической фазы простых веществ, которые при комнатной температуре метастабильны. Американским физикам под руководством Цзянь-Пина Вана (Jian-Ping Wang) удалось синтезировать один из этих кристаллов — тетрагональный рутений — и исследовать его свойства. Для получения кристалла ученые использовали метод эпитаксиального роста на затравочном слое. В качестве такой затравки использовался небольшой кристаллический слой молибдена на подложке из оксида алюминия. Молибден обладает нужной тетрагональной кристаллической структурой и подходящим расстоянием между соседними атомами, поэтому при кристаллизации на его поверхности рутения образуется именно метастабильная тетрагональная фаза. Для дополнительной стабилизации полученная нанометровая пленка рутения покрывалась сверху слоем золота.
С помощью рентгено-дифракционного анализа и просвечивающей микроскопии высокого разрешения физики доказали образование нужной кристаллической структуры, а по магнитометрическим данным и с помощью измерения эффекта Холла — показали, что полученный слой действительно обладает ферромагнетизмом. У образцов пленок рутения различной толщины (от 2,5 до 12 нанометров) был обнаружен выраженный магнитный характер с намагниченностью насыщения от 70 до 150 электромагнитных единиц на кубический сантиметр и коэрцитивной силой около 100 эрстед (как при температуре 10 кельвинов, так и при комнатной температуре).
Интересно, что по данным измерения эффекта Холла намагниченность насыщения оказалась примерно в два раза выше, чем по данным магнитометрии. Отличия в данных разных методов авторы работы объясняют возможными неточностями при определении объема магнитной фазы.
По словам ученых, возможность существования у рутения двух фаз при комнатной температуре — немагнитной гексагональной и ферромагнитной тетрагональной, — а также высокая термическая устойчивость магнитной фазы делают рутений крайне перспективным магнитным материалом как для фундаментальных исследований, так и для возможных приложений, например при создании запоминающих и логических устройств.
Благодаря тому, что у некоторых простых веществ и сплавов при одной и той же температуре возможно образование ферромагнитного и немагнитного состояний, фазовые переходы между ними некоторые ученые предлагают использовать для управления магнитными свойствами материала. Например, недавно физики показали, что таким образом можно включать и выключать ферромагнетизм в сплаве алюминия и железа с помощью облучения лазером.
Александр Дубов
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.