магнитный переход

Представьте оркестр, в котором скрипки и трубы играют разные партии, но вместе создают мощное звучание. В кристалле слоистого магнетика Fe5GeTe2, легированного никелем, роль таких инструментов берут на себя крошечные области другой фазы — нановыделения Fe6GeTe2.

Замороженный оркестр, в котором музыканты меняются местами, когда дирижёр-магнетизм задаёт новую партитуру. В кристалле шпинели атомы железа и магния сидят в двух типах кресел: одни окружены четырьмя соседями, другие шестью. При комнатной температуре они лишь слегка шевелятся, но стоит охладить вещество до 5 К, как начинается массовое переселение.

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

В слоистом кристалле CrSBr магнитные моменты атомов выстроены, как ноты в партитуре: внутри каждого слоя они смотрят в одну сторону, а между слоями — в противоположные. Такая антиферромагнитная мелодия звучит до 132 кельвинов, а дальше тепловое движение разрушает порядок. Физики научились переписывать эту партитуру, обстреливая кристалл ионами гелия.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

Металлический брусок при нагреве вдруг становится жёстким, а заодно теряет или приобретает магнитные свойства. В сплавах на основе никеля и марганца такие превращения происходят не плавно, а скачком — атомы перестраиваются в новый порядок, и материал меняет своё поведение.

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Кусок магнетита — обычного железного камня — ведёт себя странно. При комнатной температуре он проводит электричество, но стоит охладить его ниже минус 150 градусов, как сопротивление резко подскакивает. Этот скачок, открытый ещё в 1939 году, физики не могли объяснить почти век. Новая работа предлагает разгадку.

Сотни людей на танцполе стоят на равном расстоянии друг от друга — строгий порядок, как в кристаллической решётке. Медленная музыка — это тепловые колебания, от которых танцоры начинают слегка покачиваться. Если музыка становится громче и быстрее, порядок рушится: все смешиваются. Так тепловое движение разрушает упорядоченные состояния электронов в твёрдых телах.

В кристалле Rb1-xV2Te2O спины атомов ванадия выстраиваются в шахматном порядке: каждый спин окружён противоположными. Такой узор называют G-типом антиферромагнетизма. Нейтроны, проходя сквозь образец, рассеиваются на этом узоре и выдают его геометрию — как свет фонарика, проходящий через жалюзи, рисует полосы на стене.

На нейтронную звезду — сверхплотный остаток взорвавшейся звезды — падает газ. Этот газ накапливается на магнитных полюсах и образует гору. Но гора на нейтронной звезде не похожа на земную: она удерживается не камнем, а силовыми линиями магнитного поля, как железные опилки на магните. Когда газа становится слишком много, гора начинает разрушаться.

Кристалл феррита стронция похож на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут атомы железа. Одни этажи «смотрят» вверх, другие — вниз, и их магнитные поля частично гасят друг друга. Но если часть жильцов заменить на алюминий, который не участвует в магнитной игре, то баланс сил меняется.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

Кусок сплава европия и индия при охлаждении в магнитном поле ведёт себя как вода, которая замерзает не сразу целиком, а сначала в одном углу стакана, потом в другом.

Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается. Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.

Магнитный холодильник будущего не будет жужжать компрессором. Он станет охлаждать продукты за счёт того, что специальный материал нагревается в магнитном поле и остывает, когда поле убирают. Такой цикл похож на сжатие и расширение газа в обычном холодильнике, только вместо поршня работает магнит.

Кристалл меняет свою внутреннюю геометрию, как каркас здания, который слегка перекашивается при землетрясении. В сплаве марганца и галлия (Mn₃Ga) при температуре около 485 Кельвинов (примерно 212°C) происходит магнитный переход: атомы выстраиваются в антиферромагнитный порядок, где соседние магнитные моменты направлены противоположно.

Кристалл Pr₄Ni₃O₁₀ устроен как трёхслойный бутерброд: слои оксида никеля разделены прослойками празеодима. При охлаждении в нём по очереди включаются три магнитных режима — как если бы внутри бутерброда сначала выстроились спины никеля, потом слегка перестроились, а затем к ним присоединились спины празеодима. Мюоны — тяжёлые родственники электронов — проникают в кристалл и чувствуют внутренние магнитные поля.

Кусок ядерного топлива внутри реактора — это не просто твёрдое тело. При нагреве атомы урана в нём начинают «шевелить» своими магнитными моментами, и это движение меняет теплопроводность и другие свойства.

Магнит, который складывается из слоёв, как стопка блинов, — так устроен материал CrSBr. При низких температурах каждый слой намагничен, но соседние слои смотрят в противоположные стороны, и в сумме их магнитные поля гасят друг друга. Такой порядок называют антиферромагнитным, и он хрупкий: достаточно слегка нагреть материал, и слои размагничиваются.

Если сунуть обычный кусок металла в сильное магнитное поле, он слегка нагреется. А некоторые материалы ведут себя наоборот — охлаждаются. Это называется магнитокалорическим эффектом, и на нём уже строят холодильники будущего без фреона.

Если нагреть один конец проводника, а другой оставить холодным, электроны начинают перетекать от горячего к холодному. Обычно это создаёт напряжение вдоль проводника — как вода, текущая по наклонному жёлобу. Но в некоторых материалах электроны отклоняются вбок, и напряжение возникает поперёк.

Тонкая плёнка из соединения марганца, висмута и теллура похожа на слоёный пирог: каждый слой — атомная плоскость, а магнитные моменты внутри слоя выстроены, как стрелки компасов. При комнатной температуре эти стрелки держат строй, но стоит нагреть образец всего до 45°C — и порядок начинает расползаться.

Крошечные частицы размером меньше сотой доли толщины волоса могут быть магнитами, которые не теряют силу даже при 600 градусах Цельсия. Именно такие частицы сделали из сплава никеля, железа и алюминия. Сплав известен давно, но в виде наночастиц его получили без шаблонов — просто смешивая растворы солей металлов.

Кристалл Fe₄Nb₂O₉ при охлаждении до -272°C превращается в магнитный узор, где атомные стрелки не выстраиваются в одну шеренгу, а расходятся веером. Это как если бы толпа людей замерла, но каждый смотрел в свою сторону, а не в затылок соседу. Такое расположение магнитных моментов называют неколлинеарным, и именно оно, как выяснилось, отвечает за необычное поведение материала.

Кристалл охладили до минус 228 градусов по Цельсию — и на его поверхности проступил узор, как иней на стекле. Только рисует его не влага, а магнитное поле: крошечные частицы железа, взвешенные в жидкости, оседают на намагниченных участках и показывают их расположение. Так работает метод, которым воспользовались авторы исследования. Узор оказался двухэтажным.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если нарезать его на узкие полоски, получатся графеновые наноленты. Их свойства зависят от того, как именно полоска скроена: словно из одного куска ткани можно сшить и гладкую скатерть, и складчатую юбку. В новой работе химики собрали ленту несимметричной формы.

Уран и Нептун долго озадачивали планетологов: их магнитные поля сильно наклонены относительно оси вращения и имеют сложную многополюсную структуру, совсем не похожую на сравнительно простой диполь земного поля. Разгадка скрывалась в необычной фазе воды — суперионном льде, который, согласно моделям, заполняет недра этих ледяных гигантов.

Магнит на холодильнике держится за счёт крошечных внутренних стрелок — каждая из них как миниатюрный компас. Если ударить по металлу сверхкороткой вспышкой света, эти стрелки начинают хаотично метаться, и магнетизм тает за миллионные доли миллиардной секунды. Раньше такое «таяние» было слишком быстрым, чтобы его разглядеть.

Обычно, чтобы перевернуть магнит в устройстве памяти, используют тяжёлые металлы вроде платины или вольфрама. Их электроны при протекании тока сносятся вбок, как толпа на эскалаторе, и этот снос передаёт магнитному слою вращательный момент. Но тяжёлые металлы дороги и теряют много энергии в виде тепла. Теперь исследователи заменили тяжёлый металл на лёгкий — нитрид ванадия (VN).

Диселенид ниобия (NbSe₂) — слоистый материал, который при низких температурах становится сверхпроводником, проводя электрический ток без сопротивления. Если между его слоями вплести атомы никеля — как дополнительные нити в ткань, — сверхпроводимость исчезает.

Температура в комнате падает на несколько градусов, пока холодильник работает без единого движущегося компрессора. Внутри — не фреон, а кусок металла, который то намагничивают, то размагничивают. Это принцип магнитного охлаждения: при наложении магнитного поля материал нагревается, а при снятии — остывает.