Блог

Jun 13, 2023

Один раз вверх, один раз вниз — как локальная конфигурация атомов влияет на магнетизм сплава?

Наглядным примером воздействия и масштаба важности материалов являются названия эпох доисторической эпохи, таких как каменный, бронзовый или железный век. Использование этих материалов людьми в

Наглядным примером воздействия и масштаба важности материалов являются названия эпох доисторической эпохи, таких как каменный, бронзовый или железный век. Использование этих материалов людьми в данную эпоху решило прорыв в развитии человечества как вида.

Уникальными свойствами, обуславливающими использование данных материалов в прошлом, были и остаются твердость и возможность их обработки. Первоначально их использовали для изготовления инструментов, необходимых для выживания. Однако в настоящее время они являются основой окружающего нас материального мира, и их все более широкое использование влияет на постоянное улучшение комфорта и качества нашей жизни.

На современном этапе развития цивилизации пластик можно поставить на передний план критически важных материалов, которые благодаря своим уникальным пластическим свойствам встречаются во множестве предметов, которые нас окружают и которыми мы пользуемся ежедневно. Еще один материал, который не так очевиден для широкой публики, но столь же распространен и важен, как пластик, — это силикон. Электрические свойства кремния, т. е. так называемая полупроводимость, лежат в основе электроники. В последнем случае уже не свойства, полезные при создании новых объектов, а внутренние физические эффекты материала определяют его функциональность и широкое применение.

Растущий спрос на новые материалы с функциональными свойствами привел к открытию множества фантастических твердотельных эффектов. Многие из них связаны с физическим явлением магнетизма, в основе которого лежит внутренняя электронная структура данного материала. Примером таких функциональных свойств являются магнитная память формы и магнитокалорический эффект, которые возникают в сплавах с магнитной памятью формы (ФСМА — ферромагнитные сплавы с памятью формы) и тесно связаны между собой. В обоих эффектах используется явление изменения внутренней кристаллической структуры под действием приложенного магнитного поля. В случае магнитного эффекта памяти формы это рассматривается как изменение формы или движение материала. Магнитокалорический эффект основан на превращении, происходящем под действием магнитного поля, в ходе которого низкотемпературная фаза с малым значением намагниченности переходит в высоконамагниченную фазу с высоким значением намагниченности. Разница в значениях намагниченности двух фаз имеет решающее значение с точки зрения силы эффекта.

Яркими представителями сплавов с магнитной памятью формы являются сплавы Гейслера Ni2Mn1+xZ1-x, где Z = In, Sn, Sb. Сплавы Гейслера представляют собой широкий класс материалов с разнообразными физическими свойствами. В зависимости от состава они могут быть металлами, полупроводниками или полуметаллами, большинство из которых являются магнитными.

В рамках тесного сотрудничества исследователи из Нанобиомедицинского центра Университета Адама Мицкевича, Института молекулярной физики Польской академии наук в Познани и Университета Линчёпинга (Швеция) изучили эффект изменения состава Ni2Mn1+xZ1- x сплавов (Z = In, Sn, Sb) на магнитные свойства их высокотемпературной фазы. Используя вычислительные методы, ученые объяснили положительный, отрицательный и немонотонный характер изменения магнитного момента, наблюдаемого для этих сплавов, в зависимости от корня, подставленного в «Z». С этой целью исследователи разработали модель того, как изменения локальной атомной конфигурации влияют на общий магнитный момент сплава. Кроме того, выводы, полученные в результате использования предложенной модели, были подтверждены экспериментально. Для этого ученые использовали явление смещения петли гистерезиса в магнитном поле, так называемый эффект «обменного смещения», который подтвердил существование областей, вносящих отрицательный вклад в общий магнитный момент в сплаве Ni2Mn1+xSn1-x.

Применение разработанной модели не ограничивается указанными выше сплавами, а позволяет исследовать физические свойства, особенно магнетизм, в материалах нестехиометрического состава.