Атомы «дышат», материя меняет форму: Забытая теория 100-летней давности оказалась верна

18 июн 2025, 00:10

Представьте себе, что вы легонько дунули на карточный домик, а он в ответ не рассыпался, а подпрыгнул до потолка. Примерно такое же удивление испытали учёные из Сент-Эндрюсского университета, когда обнаружили, что крошечное изменение в магнетизме материала способно вызвать его поразительное, почти драматическое растяжение. Это открытие не просто впечатляет — оно вдыхает новую жизнь в теорию почти столетней давности и намекает на будущую революцию в хранении данных и энергетике.

А что, собственно, произошло?

В центре внимания исследователей оказался скромный на вид материал — оксид переходного металла. Такие соединения лежат в основе многих современных технологий, включая, например, знаменитые высокотемпературные сверхпроводники. Учёные решили изучить его реакцию на магнитное поле, а именно — магнитоупругое взаимодействие.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Звучит сложно, но суть проста. Это явление описывает, как материал меняет свою форму или размер под действием магнетизма. Обычно этот эффект едва заметен. Скажем, если поднести мощный магнит к куску железа, он не начнёт на глазах растягиваться, как резина. Изменения, как правило, микроскопические.

Но в этот раз всё было иначе. Когда физики управляли магнитными моментами — крошечными внутренними «компасами» атомов — на поверхности материала, они зафиксировали нечто невероятное. Материал отреагировал аномально сильно: он либо сжимался, либо растягивался на величину, которая превзошла все теоретические ожидания. Это и есть тот самый «прыгнувший до потолка карточный домик» — неожиданно мощная реакция на едва заметное воздействие.

a, b, Иллюстрация симметрии волновых функций двух электронов в соседних точках, которые являются пространственно антисимметричными для параллельных спинов (a) и симметричными для антипараллельных спинов (b). c, Эскиз кривой Бете-Слейтера, показывающий разницу в энергии между антиферромагнитной (EAFM) и ферромагнитной (EFM) конфигурациями системы из двух электронов в атомных волновых функциях в зависимости от расстояния (r) между ними. Черная стрелка указывает направление обменной силы (F) для системы в убывающей части кривой (черный кружок): обменная сила направлена в сторону меньшего r, если спины параллельны, и в сторону большего r, если спины антипараллельны. Цитирование: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Emergent exchange-driven giant magnetoelastic coupling in a correlated itinerant ferromagnet. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02893-x
Автор: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Источник: www.nature.com

Заглянуть за грань: точность на грани фантастики

Чтобы увидеть этот эффект, потребовались поистине ювелирные инструменты и условия. Исследование проводилось в лаборатории со сверхнизким уровнем вибрации, где любой посторонний звук или даже проехавший по улице грузовик мог бы испортить эксперимент.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа, охлаждённого до сверхнизких температур, команда смогла измерить изменения с субпикометровым разрешением. Чтобы понять масштаб: пикометр — это одна триллионная доля метра. Радиус атома примерно в сто раз больше! Учёные буквально смогли «почувствовать», как кристаллическая решётка материала дышит, реагируя на переключение магнитных состояний.

В чём же фокус? Оказалось, всё дело во взаимном расположении магнитных моментов на поверхности материала и в слоях чуть глубже. Когда эти «компасы» смотрели в одну сторону (были параллельны), материал имел один размер. Когда их заставляли смотреть в противоположные стороны (антипараллельно) — он менял свою геометрию. И именно эта деформация оказалась на удивление большой.

a-c, Спектры туннелирования g(V), полученные при T = 2 K (a), 6 K (b) и 14,3 K (c). Спектры были получены после выравнивания намагниченности образца при Bz = 1,3 Т перед записью спектров при 0 Т и при поле, при котором произошло переключение объемной намагниченности. Спектры нормированы по значению g(V) при 9,8 мВ. d-f, Энергетическая EPI пика PI в зависимости от поля Bz, зарегистрированная при циклическом изменении поля от Bz = 1, 3 Т до -1,2 Т и обратно до 1,3 Т при T = 2 К (d), 6 К (e) и 14,3 К (f) (точки получены путем подгонки двух лоренцевых функций (d) или одной лоренцевой функции (e и f); полосы погрешности представляют собой 95 % доверительные интервалы). Пунктирные линии на рисунке d обозначают поля переключения BB и BS. g, Зависимость от температуры полей BB и BS, при которых происходит переключение намагниченности объёма (открытые треугольники) и поверхности (заполненные треугольники) соответственно. Магнитная индукция в объеме переключается при полях BB (открытые треугольники; направление треугольников указывает на точки, извлеченные из восходящих или нисходящих полевых рамп) вблизи поля коэрцитивности объема (открытые кружки; дополнительный рис. 6), тогда как поверхность переключается при значительно более высоких полях. Фиолетовая линия показывает подгонку коэрцитивного поля 2D-ферромагнетика в присутствии сильного закрепления (дополнительный раздел 9; B0 = 0,91 Т, TP = 23 К). h, Гистерезис BS при T = 1,8 К. График показывает поле, при котором BS и BB переключаются после цикла поля, поднимающегося до поля +-BL (указано на горизонтальной оси). На врезке показана иллюстрация выполненных M-H-циклов. BS варьируется более чем в два раза в зависимости от истории поля, демонстрируя гистерезис, в то время как BB остается постоянным (Vset = 10 мВ, Iset = 50 пА, за исключением BL = 1 Т с Iset = 100 пА). На рисунках g и h белые и серые области обозначают, когда поверхностная и объемная намагниченность параллельны, а фиолетовая область обозначает, когда они антипараллельны. Красные и синие стрелки на рисунке h показывают направление локальных моментов; конкретное направление является ориентировочным, поскольку зависит от того, начинался ли наклон с положительного или отрицательного поля. Цитирование: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Emergent exchange-driven giant magnetoelastic coupling in a correlated itinerant ferromagnet. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02893-x
Автор: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Источник: www.nature.com

Привет из 1930-х: когда старая теория снова в деле

Самое изящное в этой истории — её связь с фундаментальной наукой прошлого. Результаты эксперимента идеально легли на кривую Бете-Слэтера. Эту концепцию физики Ганс Бете и Джон Слэтер предложили ещё в 1930-х годах, чтобы описать простую связь: как расстояние между атомами в металле влияет на их магнитные свойства.

Представьте, это как старое дедушкино правило, которое объясняло поведение простых железных сплавов. Никто не ожидал, что оно будет работать для сложного, современного оксида, где взаимодействия между электронами куда запутаннее. А оно сработало! Это тот редкий и красивый момент в науке, когда фундаментальный принцип, открытый почти век назад, доказывает свою универсальность в совершенно новой области.

Однако здесь есть интригующий поворот. Кривая Бете-Слэтера верно предсказала характер зависимости, но не её силу. Наблюдаемая деформация оказалась намного больше, чем предсказывают современные, более сложные модели. Это значит, что наше текущее понимание этих процессов неполно. В сложном танце электронов, атомов и магнетизма есть какие-то важные детали, которые мы до сих пор упускали.

a, b, Изменение Δz(H), зарегистрированное при изменении поля Bz от -0,4 Т до 0,4 Т (a) и обратно (b) (T = 1,8 К, Vset = 10 мВ, Iset = 50 пА). Показана только небольшая часть линии изменения. На кривых виден небольшой скачок, когда поверхностный слой меняет свою намагниченность, обозначенный черной стрелкой. c, d, Временные кривые Δz(t) в течение ~15 с, в течение которых поле Bz увеличивается на 10 мТ с 0,34 Т до 0,35 Т (c) и с -0,27 Т до -0,28 Т (d). На обоих графиках виден скачок ~300 фм, отмеченный черной стрелкой. Серая область обозначает время после переключения. Переключение поверхностного слоя подтверждается спектрами туннелирования, полученными до (фиолетовая линия) и после (красная/синяя линия) записи временной кривой (вставки показывают параметры туннелирования для кривых z(H) и z(t), Vset = 10 мВ, Iset = 50 пА; для спектров, Iset = 450 пА, VL = 0,5 мВ). e, Гистограмма скачков в Δz(t) при переключении поверхностного слоя, полученная из 56 кривых магнитострикции (Iset = 50 pA, Vset = 10-50 mV). Цитирование: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Emergent exchange-driven giant magnetoelastic coupling in a correlated itinerant ferromagnet. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02893-x
Автор: Marques, C.A., Rhodes, L.C., Osmolska, W. et al. Источник: www.nature.com

Почему это важно для всех нас?

Это исследование — не просто удовлетворение научного любопытства. У него есть два очень практических и многообещающих выхода.

Революция в хранении данных. Сегодня для считывания информации с жёстких дисков используются сложные магнитные головки. А что, если вместо этого мы сможем считывать данные, просто измеряя крошечную деформацию материала или связанное с ней изменение электрического сопротивления? Открытие показывает, что магнитное состояние (условные «ноль» или «единица») оставляет отчётливый структурный и электронный след. Это может привести к созданию более быстрых, компактных и энергоэффективных запоминающих устройств.
Путь к «зелёным» технологиям. Оксиды переходных металлов — это целое семейство материалов с удивительными свойствами. Глубокое понимание связи между их структурой, электроникой и магнетизмом — это ключ к разгадке одной из главных тайн современной физики: высокотемпературной сверхпроводимости. Если мы научимся делать сверхпроводники более стабильными и работающими при более высоких температурах, это произведёт переворот в энергетике — от линий электропередач без потерь до сверхмощных компьютеров.

Таким образом, маленькое открытие, сделанное в тишине виброизолированной лаборатории, отзывается эхом сквозь десятилетия научной мысли и обещает громкие технологические прорывы в будущем. Иногда, чтобы сделать шаг вперёд, нужно просто очень внимательно прислушаться к шёпоту атомов.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник