Skip to Content

ЗАБЫВЧИВЫЙ АНТИФЕРРОМАГНЕТИК

Ученые Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН под руководством кандидата физико-математических наук А.Ф. Губкина и доктора физико-математических наук Н.В. Баранова совместно с коллегами из США, Германии и Швейцарии получили яркий фундаментальный результат в области физики магнитных явлений. При помощи серии экспериментов по нейтронному рассеянию, измерению магнитных и электрических свойств они расшифровали сложную магнитную структуру интерметаллида тербия и никеля — перспективного соединения для создания устройств магниторезистивной памяти. Работа была поддержана Российским научным фондом и опубликована в престижном международном журнале Physical Review B. А совсем недавно ученым удалось обнаружить в этом интерметаллиде гигантский магнитокалорический эффект, благодаря чему он может использоваться в технологиях магнитного охлаждения.
Об этих открытиях мы поговорили с зав. лабораторией нейтронных исследований вещества ИФМ УрО РАН кандидатом физико-математических наук Андреем Губкиным.
— Ваш интерметаллид — антиферромагнетик. Что это такое?
— Сначала, наверное, надо рассказать о ферромагнетиках. Способность магнитов притягивать к себе удаленные на расстояние 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) магнитооупорядоченного 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 антиферромагнетиков 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: вырастили кристалл, подготовили его к экспериментам, 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, в Окриджской национальной лаборатории и в 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, то есть возможность поработать на высококлассном оборудовании бесплатно.
Благодаря таким комплексным исследованиям нам удалось, наконец, решить проблему: определить магнитную структуру нашего 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 Нееля TN, 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, «забывая» о своей антиферромагнитной природе. Поэтому мы и назвали его «забывчивым» антиферромагетиком. Вернуть первоначальное антиферромагнитное состояние в материале можно лишь через процедуру терморазмагничивания.
— Чем интересен обнаруженный в интерметаллиде гигантский 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 этот механизм, 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 мы планируем проводить дифракционные эксперименты не только за рубежом, но и в России. В 2019 г. в нашей стране принята программа развития нейтронных и синхротронных исследований, предполагающая строительство синхротронов поколения 4+ в Новосибирске и в 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 исследовательского реактора ИВВ-2М в г. Заречный Свердловской области создали и собственный Нейтронный материаловедческий комплекс, 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 в принципе позволяет выполнять предварительные тестовые исследования, значительно сокращающие время и оптимизирующие эксперименты «на выезде». Поддерживать функционирование и развивать экспериментальные возможности Нейтронного материаловедческого комплекса в Заречном — одна из наших первоочередных задач.
Е. Понизовкина
На рис.: Элементарная ячейка кристаллической структуры соединения Tb3Ni; визуализация несоизмеримой магнитной структуры соединения Tb3Ni, построенная на основании расшифровки данных нейтронной дифракции при температуре Т = 58 K; магнитная фазовая диаграмма монокристалла Tb3Ni для внешнего магнитного поля, приложенного вдоль кристаллографического направления с.
 
Год: 
2019
Месяц: 
октябрь
Номер выпуска: 
19
Абсолютный номер: 
1201
Изменено 08.10.2019 - 12:48


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47