Кристалл размером с ноготь лежит между пластинами конденсатора. Включается магнитное поле, и кристалл вытягивается, как лента, которую потянули за концы: его длина увеличивается на 60, а то и на 120 процентов. Это не опечатка. Обычное железо в магнитном поле меняет длину на миллионные доли, а здесь — на величину, которую видно невооружённым глазом.
Речь о редкоземельных ортоферритах — соединениях железа, кислорода и редкоземельного элемента. Учёные вырастили монокристаллы HoFeO₃ и DyFeO₃, охладили их до нескольких кельвинов и приложили поле 90 килоэрстед. Вдоль одной из осей кристалл начал расти, как стебель растения в ускоренной съёмке. Вдоль двух других осей он почти не изменился. Такая анизотропия — ключ к пониманию механизма.
Почему это происходит? В кристаллах есть две магнитные подрешётки: железная и редкоземельная. У ионов гольмия и диспрозия очень сильная спин-орбитальная связь — взаимодействие между собственным вращением электрона и его движением вокруг ядра. Именно она, как пружина, связывает магнитный момент иона с его положением в решётке. Когда внешнее поле переворачивает магнитные моменты, ионы смещаются, и весь кристалл скачком меняет форму. Это фазовый переход первого рода — как прыжок из одного состояния в другое, с гистерезисом: если поле убрать, кристалл не сразу вернётся к исходной длине.
Чтобы убедиться, что эффект связан именно с редкоземельным ионом, исследователи измерили третий кристалл — GdFeO₃. У гадолиния спин-орбитальная связь слабая. И что же? Магнитострикция оказалась в сто раз меньше, и никакого структурного перехода не было. Это прямое доказательство: гигантская деформация запускается редкоземельной анизотропией, а не железом.
Вместе с удлинением меняется и электрический отклик: диэлектрическая проницаемость вдоль оси c падает более чем на 65%. Кристалл, который дышит под магнитным полем, ещё и меняет свои электрические свойства. Такое сочетание открывает дорогу к магнитоуправляемым актуаторам, датчикам деформации и адаптивным структурам, работающим при низких температурах. Пока это криогенная экзотика, но принцип найден: редкоземельные ортоферриты — платформа для экстремально больших обратимых деформаций, управляемых полем.
Магнитострикция была открыта Джеймсом Джоулем в 1842 году: железный стержень удлинялся на миллионные доли в магнитном поле. В новой работе деформация в миллион раз больше.
В романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» инопланетный корабль меняет свою геометрию под действием внешних полей. Редкоземельные ортоферриты с их 120-процентным удлинением напоминают такой «умный» материал, хотя и работают лишь при криогенных температурах.