Из наночастиц сделали жидкие капли постоянного магнита

Физики придумали как скомбинировать свойства твердых постоянных магнитов (ферромагнетиков) и взвеси магнитных частиц в жидкости, которая в целом является парамагнитной. Для этого ученые разместили ферромагнитные наночастицы на поверхности капелек воды, окруженных маслом. В таком случае можно придать каплям несимметричную форму, определяющую ее намагниченность, которая не будет пропадать при снятии внешнего магнитного поля, то есть вещество будет вести себя как жидкий ферромагнетик, пишут авторы в журнале Science.

Обычные постоянные магниты (например, железные) относятся к ферромагнитным материалам. В присутствии внешнего магнитного поля спины электронов в таких веществах могут упорядочиваться, при этом интенсивное взаимодействие между спинами обеспечивает сохранность сложившейся конфигурации и после выключения внешнего поля. Соответствующая физическая величина называется намагниченность, и она остается постоянной, если не нагревать тело выше точки Кюри — характерной для материала температуры, при которой тепловые возмущения станут сильнее взаимодействия спинов и дезорганизуют их.

Существует также другой тип магнитных веществ — парамагнетики. Эти материалы намагничиваются во внешнем поле, но не способны сохранять это состояние в его отсутствии. К этому классу относится большинство чистых элементов, также некоторые сложные вещества и смеси. В частности, подобное поведение характерно для ферромагнитных жидкостей, то есть взвеси микроскопических частиц с постоянной намагниченностью, так как такое вещество не сохраняет намагниченность.

Получается, что сохранять намагниченность могут только твердые тела, а менять форму можно только с ее потерей. Существует способ удерживать намагниченность в ферромагнитной жидкости путем уменьшения температуры или увеличения вязкости, но он не позволяет добиться истинного постоянства. Это ограничивает потенциал магнитных жидкостей, которые нашли применение, например, в виде магнитных пробок, но такие случаи являются лишь отдельными примерами.

В работе ученых из США и Китая под руководством Томаса Рассела (Thomas Russell) из Пекинского университета химических технологий предлагается новый подход, позволяющий создать настоящий жидкий постоянный магнит. Идея заключается в ограничении свободы движения наночастиц. Для этого авторы растворяют магнитные наночастицы в воде, формируют из смеси капли и впрыскивают в несмешивающееся с водой масло — оно содержит поверхностно-активное вещество, которое заставляет частицы скапливаться на поверхности капли.

Полученная таким образом эмульсия обладает свойствами настоящего магнита: если капли подвергнуть действию внешнего магнитного поля, то их форма меняется со сферически-симметричной на вытянутую, причем выключение поля не приводит к восстановлению формы, которая и определяет намагниченность. Авторы подвергают полученное вещество циклическому перемагничиванию — стандартному методу исследования магнитных материалов. В результате оказывается, что эмульсия ведет себя подобно мягкому ферромагнетику, то есть обладает слабой остаточной намагниченностью и узкой петлей гистерезиса.

Данный подход позволяет получить вещество, обладающее всеми свойствами жидкости, но при это ферромагнитное, как и твердые тела. Потенциально у данной разработки может быть масса применений. Одним из направлений может быть робототехника, в которой исследование жидких компонентов является актуальной темой. Преимуществом магнитных жидкостей является то, что их можно привести в движении одним лишь магнитным полем, что намного удобнее механических связей. С фундаментальной точки зрения открытие позволяет создавать принципиально новые материалы, такие как ферромагнитные губки и эластичные полимеры с постоянной намагниченностью.

Ранее физики нашли у трехслойного ферромагнетика переходное состояние магнитосопротивления, научились включать и выключать ферромагнетизм лазером и подобрали антиферромагнетикам применение в спинтронике.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Демон Пайнса нашелся в рутенате стронция спустя 67 лет после теоретического предсказания

Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом

Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, ­— поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.