УЧЕНЫЕ СОЗДАЛИ НОВЫЙ ТИП МАГНИТНОЙ КЕРАМИКИ
Группа ученых из Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, МФТИ и их зарубежных коллег разработала новый вид магнитной керамики и изучила ее уникальные свойства. Оказалось, что материал идеально подходит для ряда высокотехнологичных областей: терагерцовая электроника, связь, медицина, безопасность, астрофизика, измерительные приборы и даже компьютерная память. Результаты исследования опубликованы в специализированном журнале Materials Horizons.
➤ ЧТО ТАКОЕ МАГНИТЫ, ИЛИ ЗАГАДОЧНЫЙ МИР СПИНОВ
Магнетизм, если отбросить весь научный лоск, — это результат поведения крошечных квантовых частиц, электронов. Спин, одно из их уникальных свойств, придает этим частицам нечто вроде "магнитной подзарядки". Когда электроны взаимодействуют с атомами, они делают их похожими на крошечные стрелки компаса. Если атомы в материале упорядоченно "настроены", то появляется общий магнитный момент, и материал становится магнитом. Такой материал может притягиваться или отталкиваться в зависимости от характера взаимодействия с другими магнитами или полями.
Магниты делятся на два основных типа: магнитомягкие и магнитотвердые. Первые легко поддаются всякому воздействию, их спины быстро "перестраиваются". Вторые, наоборот, упрямы и сохраняют свою намагниченность даже при сильных внешних полях. Основной измеряемый параметр в таких материалах — это коэрцитивная сила. Она показывает, какое усилие требуется, чтобы материал "переобуть" в магнитном смысле.
Магнитомягкие материалы обычно пригодны для использования там, где важна гибкость, например, в сердечниках трансформаторов. А вот магнитотвердые подходят для тяжелой работы — они незаменимы в электродвигателях, генераторах и других устройствах, требующих устойчивой намагниченности. И вдобавок ко всему, их уже активно применяют в наноразмерах для магнитных лент с высокой плотностью записи.
➤ ПОИСК СОВЕРШЕННОЙ МАГНИТНОЙ КЕРАМИКИ
В последние годы ученые стремятся создать материалы, которые удачно объединяют прочность магнитотвердых веществ с их устойчивыми характеристиками. Причем экономичность тоже играет роль. Новая магнитная керамика из ферритов, в отличие от дорогостоящих неодимовых магнитов, намного дешевле. К тому же она стойка к коррозии, обладает хорошими диэлектрическими свойствами и при этом не отражает электромагнитные волны. Ну просто мечта.
Ученые уже несколько лет изучают такие материалы. Например, в одном из предыдущих проектов они исследовали керамику на основе эпсилон-оксида железа. Сейчас же их цель — создание еще более совершенных образцов.
➤ НОВОЕ ОТКРЫТИЕ: КЕРАМИКА ИЗ ГЕКСАФЕРРИТА
На этот раз исследователи разработали керамику со сложной рецептурой: туда вошли атомы стронция, кальция, железа, алюминия и кислорода. Для создания такого ансамбля пришлось здорово потрудиться. Сначала порошок гексаферрита подвергли температурной обработке при 1200 градусах, а потом обжигали при 1300–1400. Этот процесс превратил порошок в плотную керамическую структуру с уникальными магнитными свойствами.
Сам по себе материал оказался весьма интересным: керамика практически не теряет свои свойства при разных температурах, начиная от ультрахолодных значений (гелиевых) и заканчивая комнатными. Это значительно расширяет возможности ее применения в практике.
➤ КАК РАБОТАЕТ КЕРАМИКА?
Исследования показали, что при первом намагничивании материал начинает меньше поглощать энергию конкретной частоты (резонансной). Магнитное поле как бы "отключает" его реакцию на эту частоту, тем самым снижая энергетические потери. При поле в 5000 эрстедов реакция на резонансную частоту практически исчезает. Такой "магнитный фильтр" открывает новые перспективы для высокоточных настроек.
Ученые заметили, что уже намагниченная керамика линейно меняет свою реакцию на внешние магнитные поля. Это словно настройка радиоприемника на нужную частоту — только вместо радиоволн используется магнитное поле. «Радиоволна», кстати, тут явно терагерцовая.
➤ ПОЧЕМУ ЭТО ВАЖНО?
Исследователи впервые подтвердили необходимость высокой коэрцитивной силы для точной настройки частоты магнитного резонанса. Иными словами, чем прочнее магнитный "хребет" материала, тем шире возможности его использования. Если же коэрцитивная сила мала, малейшие изменения поля перемагничивают материал, сбивая его настройки.
Результаты открывают перспективы для развития терагерцовой электроники. Материал может применяться в будущем стандарте связи 6G (да-да, пока мы радуемся 5G). Это позволит передавать данные еще быстрее и с меньшими потерями.
➤ ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
Эксперименты показали, что магнитотвердые ферримагнитные керамики обладают огромным потенциалом. Эти материалы могут стать основой для промышленной электроники нового поколения, а также для устройств, работающих с высокочастотным излучением. Например, слоистые структуры "магнитный изолятор / металл" помогут создать мощные детекторы или генераторы.
При этом ученые отмечают, что технологии, использующие магнитомягкие ферриты, уже теряют актуальность. Новые ферримагнитные диэлектрики более эффективны, работают на куда более высоких частотах и не нуждаются в постоянных внешних магнитных полях.
➤ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сделанные открытия не только подтверждают теорию, но и дают возможность переходить к практическим разработкам. Современные технологии связи, промышленная электроника и спинтроника стоят перед настоящим скачком в развитии благодаря этим материалам.
И кто бы мог подумать, что древние магниты из природного железного камня однажды превратятся в такие технологические чудеса? Видимо, нам всему по-прежнему управляют невидимые руки физических законов… или невидимые спины электронов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий