магнитокалорический эффект

В двойной звезде белый карлик, как пылесос, стягивает газ с соседней звезды. Если у карлика есть магнитное поле, газ не падает куда попало, а стекает к полюсам, как железные опилки к магниту. Там он накапливается кучей. Но что удерживает эту кучу от расползания? Магнитные силовые линии, которые пронизывают её, как невидимые канаты.

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

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.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

Электрики, работающие с высоким напряжением, похожи на водолазов: им нужно видеть, что творится глубоко под водой, но самим туда не спускаться. Для этого нужен датчик, который стоит в стороне от опасного тока и передаёт информацию наверх.

В кастрюле с кипящим супом лёгкие крупинки жира всплывают наверх, а тяжёлые кусочки овощей оседают на дно. Аналогичная картина — гравитационное расслоение — наблюдается в разреженном горячем газе вокруг Солнца и других звёзд, но вместо бульона там смесь заряженных частиц: электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов).

В солнечной короне — внешней, крайне разреженной и горячей оболочке Солнца — время от времени наблюдается удивительное явление: корональный дождь. Только вместо воды с неба падает плазма — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.

Ток ионов через мембрану похож на очередь к турникету. Иногда турникет свободен — ионы проходят быстро. Иногда застревает — поток падает. Слабое магнитное поле, как выяснилось, не толкает ионы в спину, а просто меняет число открытых турникетов. Авторы построили равновесную модель, где транспортный канал может находиться в нескольких состояниях — одни проводят ток, другие нет.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

Глубоко под землёй железо раскалено добела, а давление там такое, что обычный прибор сплющился бы в лепёшку. Чтобы заглянуть в этот мир, физики создали особый микроскоп на крошечных алмазных дефектах (так называемых NV-центрах).

Инфляция — это сверхбыстрое раздувание Вселенной в первые мгновения. Её вызвало поле, похожее на шар, скатывающийся с холма. Но рядом мог быть и второй, почти незаметный шарик. Авторы работы рассмотрели именно такой случай: лёгкое поле-наблюдатель (аксион), застывшее на вершине своего потенциала.

Глубоко под землёй, в толще гранита, детекторы ловят редких гостей из космоса — мюоны. Эти частицы рождаются высоко в атмосфере, когда космические лучи врезаются в ядра воздуха. Долететь до подземной лаборатории им помогает огромная скорость, близкая к скорости света.

Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

Толстый резиновый жгут скручивают всё сильнее. В какой-то момент он не выдерживает — рвётся и хлещет по сторонам, высвобождая накопленную энергию. Примерно так же ведут себя магнитные поля внутри нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Если сжать обычный кусок металла, он нагреется — это знают даже те, кто накачивал велосипедное колесо. Но что будет, если сжать магнит, в котором атомные стрелки отказываются замирать даже при абсолютном нуле?

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.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

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.

Представьте стопку магнитных пластинок, где каждая следующая намагничена противоположно соседней. Это слоёный бутерброд, в котором электроны движутся как единый организм. Весь материал начинает подражать аксиону — частице-призраку, почти не взаимодействующей с веществом, которую физики подозревают в том, что она и есть тёмная материя.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

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.

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 железа похож на мозаику из множества плотно упакованных зерен. Там, где одно зерно встречается с другим, возникает граница — узкий шов с нарушенным порядком. Именно в этих швах скрываются сюрпризы для магнетизма. Ученые рассчитали, как атомы железа взаимодействуют друг с другом на трех типах таких границ.

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.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

Эффект Мпембы — физический парадокс, при котором горячая вода при определённых условиях застывает быстрее, чем холодная. Чтобы понять механизм, учёные построили упрощённую модель: представьте шарик, движущийся в вязкой среде, напоминающей мёд, по ландшафту с двумя потенциальными ямами — «лунками» — и вертикальной стенкой с краю.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достигла температуры, при которой электроны и протоны впервые смогли объединиться в нейтральный водород. Этот процесс, известный как рекомбинация, по сути был первой встречей частиц: до того момента экстремальный жар не позволял им удерживаться вместе.

Кусочек плёнки из оксида цинка лежит на столе. Подносят магнит и начинают медленно поворачивать его вокруг плёнки. Плёнка, толщиной меньше человеческого волоса, начинает менять свои размеры: то сжимается, то растягивается. Это свойство называется магнитострикцией — способностью материала деформироваться под действием магнитного поля.

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.

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.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

Кристалл CeB6 похож на шкатулку с секретом: внутри него электроны могут занимать четыре почти одинаковых положения, как четыре кресла вокруг стола. Пока никто не смотрит, электрон словно сидит сразу на всех четырёх. Это скрытое состояние физики называют квадрупольным, и оно влияет на магнитные свойства, но увидеть его напрямую трудно.

Магнитные моменты в кристалле похожи на стрелки компасов, закреплённые в узлах решётки. В обычном состоянии они выстраиваются в аккуратный порядок, но если по кристаллу ударить электромагнитной волной, стрелки начинают колебаться — как хлебные колосья под ветром. Эти колебания называют магнонами, и они переносят энергию без перемещения самих атомов.

Кристалл Co2SeO3Cl2 похож на слоёный пирог, где каждый слой — изогнутая сотовая сетка из атомов кобальта. При охлаждении до 25,4 К (−247,75 °C) в этой сетке начинают выстраиваться магнитные моменты атомов, как стрелки компасов, но не все разом, а в четыре этапа — при 25,4, 16,8, 11 и 3 К. Каждый этап — новый узор магнитного порядка.

Магнитное поле похоже на тень от предмета: меняется вместе с формой источника. Но если поставить на пути света линзу, тень можно изменить. Так и здесь: авторы придумали «линзу» для магнитного поля — набор из обычных материалов с разной магнитной проницаемостью (способностью пропускать поле).