Поиск - новости науки и техники

Забывчивый кристалл

Расшифрована магнитная структура уникального материала

Ученые Института физики металлов УрО РАН под руководством кандидата физико-математических наук Андрея Губкина и доктора физико-математических наук Николая Баранова совместно с коллегами из США, Германии и Швейцарии получили яркий фундаментальный результат в области физики магнитных явлений. В серии экспериментов по нейтронному рассеянию, измерению магнитных и электрических свойств они расшифровали сложную структуру интерметаллида тербия и никеля – перспективного соединения для создания устройств так называемой магниторезистивной памяти, хранящих информацию с помощью магнитных моментов, а не электрических зарядов. Работа была поддержана Российским научным фондом и опубликована в престижном международном журнале Physical Review B. А совсем недавно ученым удалось обнаружить в этом соединении гигантский магнитокалорический эффект, благодаря чему оно может использоваться в технологиях магнитного охлаждения. Об этих открытиях «Поиск» побеседовала с заведующим лабораторией нейтронных исследований вещества ИФМ Андреем ГУБКИНЫМ.

– Ваш интерметаллид – антиферромагнетик. Что это такое?
– Сначала, наверное, надо рассказать о ферромагнетиках. Способность магнитов притягивать к себе удаленные железные предметы очаровывала и привлекала людей с древнейших времен. Но только в начале XX века физики Пьер Вейс и Вернер Гайзенберг нашли объяснение феномену ферромагнетизма – существованию ниже критической температуры (температуры Кюри) магнитоупорядоченного состояния с параллельным расположением магнитных моментов атомов. Вскоре французский физик Луи Неель и наш соотечественник Лев Ландау предположили, что существует принципиально иной класс магнитных материалов со скрытым магнетизмом, – антиферромагнетики, которые из-за антипараллельного упорядочения магнитных моментов атомов не обладают свойствами постоянных магнитов. Тем не менее у них есть целый ряд физических свойств, в том числе представляющих интерес для практического применения: сверхбыстрая магнитная динамика, гигантский магниторезистивный эффект, спиновый эффект Зеебека и другие. Благодаря этим свойствам с антиферромагнетиками связывают будущее спинтроники – нового раздела физики конденсированного состояния, изучающего свойства материалов, в которых не только электрический заряд, но и спин электрона играют ключевую роль. В частности, антиферромагнетики могут расширить функциональные возможности микроэлектронных устройств, работающих на принципах спинтроники, например, в микросхемах магниторезистивной памяти.
– Почему вас заинтересовал именно интерметаллид тербия и никеля?
– У этого соединения очень сложная магнитная структура и уникальное сочетание электрических и магнитных свойств. Его начали изучать еще 40 лет назад, но продвинуться ни у кого не получалось, магнитную структуру интерметаллида никак не могли расшифровать. Я стал заниматься этой проблемой в 2006 году, когда работал над кандидатской диссертацией. Тогда мы сделали порошок интерметаллида тербия и никеля и провели нейтронный эксперимент в Институте им. Пауля Шеррера (Швейцария), полагая, что этого будет достаточно, чтобы определить его магнитную структуру. Однако ничего не вышло. Мы поняли, что нужен образец не в виде порошка, а в виде монокристалла. Синтезировать монокристалл долго не получалось, мы перепробовали много разных методик, а достигли результата довольно простым способом: запаяли в ампулу поликристаллическую таблетку, положили в специальную печь, нагрели и медленно-медленно охладили. Вскрыли ампулу, раскололи слиток и увидели, как там блестит зерно – одна из граней кристалла. Всю дальнейшую работу мы также проделали в нашем институте: не только вырастили кристаллы, но подготовили их к экспериментам, выполнили ориентацию по различным кристаллографическим осям рентгеновскими методами и провели магнитную аттестацию в центре прецизионной магнитометрии ИФМ. И уже с готовыми образцами стали ездить по миру. Для того чтобы идентифицировать магнитную структуру интерметаллида тербия и никеля и объяснить, как она определяет его электрические и магнитные свойства, мы провели целую серию исследований: нейтронные эксперименты на реакторе в Берлинском центре материалов и энергии им. Гельмгольца, Окриджской национальной лаборатории и Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Таллахасси (США), магнитные измерения – в Техническом университете в Дрездене. В эти крупные международные центры ученые приезжают со своими образцами, и если их проекты представляют интерес, есть возможность поработать на высококлассном оборудовании бесплатно.

Благодаря таким комплексным исследованиям нам удалось, наконец, определить магнитную структуру интерметаллида и объяснить уникальное сочетание в нем электрических и магнитных свойств. Мы построили магнитные фазовые диаграммы этого соединения и показали, что при охлаждении ниже температуры, равной 61 Кельвину, в нем реализуется сложная несоизмеримая магнитная структура типа «спиновая волна». И, что самое интересное, приложение внешнего магнитного поля в области низких температур индуцирует метастабильное ферромагнитное состояние, сохраняющееся после выключения поля. Этот материал так и остается постоянным магнитом с пониженным электросопротивлением, как бы «забывая» о своей антиферромагнитной природе. Вернуть первоначальное состояние можно лишь после нагревания образца выше температуры 61 Кельвин и последующего охлаждения в нулевом магнитном поле.
– Чем интересен обнаруженный в интерметаллиде магнитокалорический эффект?
– Прежде всего, его открытие не только наша заслуга. Это произошло благодаря сотрудничеству со специалистами из Университета Деусто (Бильбао, Испания), которым мы отправили свой монокристалл.
Суть магнитокалорического эффекта заключается в способности материала изменять свою температуру при намагничивании или размагничивании в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой. Поэтому материалы с большим магнитокалорическим эффектом могут заменить газокомпрессорный метод охлаждения в бытовых холодильниках и уже успешно используются в лабораторных криогенных системах.
– Сейчас вы продолжаете исследования «забывчивого» антиферромагнетика?
– Да, надо решить еще одну задачу – пока нам не до конца понятен механизм одного магнитного фазового перехода в нашем интерметаллиде. Чтобы установить его, мы провели нейтронный эксперимент в Институте Лауэ-Ланжевена во Франции. Мы планируем использовать новый метод mPDF-анализа, который позволяет получить информацию о корреляции между магнитными моментами атомов в широком интервале температур. Сейчас вместе с французскими коллегами мы разрабатываем методику анализа и обработки полученных нейтронных данных. Это весьма нетривиальная задача, мало кто в мире это делает, так что мы – одни из первопроходцев.
В будущем планируем проводить дифракционные эксперименты не только за рубежом, но и в России. В 2019 году в нашей стране принята программа развития нейтронных и синхротронных исследований, предполагающая строительство синхротронов поколения 4+ в Новосибирске и Москве. Рассчитываем поработать и на высокопоточном реакторе ПИК в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Констанитинова. Сейчас на реакторе ПИК реализуется программа строительства новых нейтронных станций, и первые пять должны быть сданы до конца 2020 года.
Ученые ИФМ УрО РАН на базе среднепоточного исследовательского реактора ИВВ-2М в городе Заречный Свердловской области создали и собственный Нейтронный материаловедческий комплекс (НМК), где можно проводить нейтронографические исследования кристаллических и магнитных структур широкого класса материалов. А в случае особо сложных задач, требующих уникальных нейтронных источников и экспериментального оборудования, наш НМК позволяет выполнять предварительные тестовые исследования, значительно сокращающие время и оптимизирующие эксперименты «на выезде». Развивать экспериментальные возможности Нейтронного материаловедческого комплекса в Заречном – одна из наших первоочередных задач.

Андрей ПОНИЗОВКИН

Нет комментариев