 Исследователи провели экспериментальный прорыв в объяснении редких свойств экзотического магнитного материала, потенциально открывая путь к ряду новых технологий. Многие из наиболее перспективных инноваций будущего, такие как хранение информации или магнитное охлаждение, полагаются на сложные магнитные материалы, и это открытие открывает дверь к освоению новой физики, которая регулирует эти материалы.
Работа, возглавляемая физиком Брукхейвенской национальной лаборатории Игнатием Жарригом и Университетом Коннектикута профессор Джейсоном Хэнкоком, вместе с сотрудниками в Аргоннской национальной лаборатории и в Японии, отмечает большой прогресс в поиске практических материалов, которые позволят создать несколько типов технологии следующего поколения.
Исследование связано с эффектом Кондо - физическим явлением, которое объясняет, как магнитные примеси влияют на электрическое сопротивление материалов. Исследователи искали в материале под названием иттербий-индий-медь-четыре (как правило, написанном с использованием его химической формулы: YbInCu4).
YbInCu4 давно был известен как материал, имеющий уникальный переход при изменении температуры. Ниже определенной температуры магнетизм материала исчезает, а выше этой температуры, он имеет сильные магнитные свойства. Этот переход, который озадачил физиков на протяжении десятилетий, в последнее время раскрыл свою тайну. «Мы обнаружили брешь в электронном спектре, аналогичную той, которая была обнаружена в полупроводниках, таких как кремний, в котором энергетический сдвиг при переходе вызывает резкое усиление эффекта Кондо», сказал Жарриг.
Электронные энергетические щели определяют, как электроны движутся (или не движутся) в материале, и являются важным компонентом в понимании электрических и магнитных свойств материалов. «Наше открытие доказывает, что адаптированные зазоры полупроводников могут быть использован в качестве удобной ручки, чтобы точно контролировать эффект Кондо и, следовательно, магнетизм в технологических материалах», сказал Жарриг.
Чтобы раскрыть энергетическую щель, команда использовала процесс, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS) - новый экспериментальный метод, который стал возможным за счет мощного рентгеновского луча, производимого на синхротроне, расположенном в Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго. Размещая материалы на сфокусированного пучка рентгеновского и чутко измеряя и анализируя то, как рассеиваются рентгеновские лучи, команда смогла раскрыть неуловимые свойства, такие как энергетическая щель, и связать их с загадочным магнитным поведением.
Новая физика, обнаруженная в данной работе, предлагает план к разработке материалов с сильными «магнитокалорическими» свойствами - склонности материала изменять температуру в присутствии магнитного поля. «Эффект Кондо в YbInCu4 включается при очень низкой температуре в 42 градусов Кельвина (-384F)», сказал Хэнкок, «Но теперь мы понимаем, почему это происходит, что свидетельствует о том, что это может произойти в других материалах вблизи комнатной температуры». Если такой материал будет обнаружен, то согласно Хэнкоку, это приведет к революции в технологии охлаждения.
Бытовое использование кондиционеров в США составляет более $11 млрд энергетических затрат, и приводит к выделению 100 миллионов тонн углекислого газа в год. Использование МКЭ для магнитного охлаждения в качестве альтернативы механическим вентиляторам и насосам, могло бы значительно сократить эти цифры.
В дополнение к ее возможным применениям в технологии, новая работа продвинула состояние искусства в исследованиях. «Техника RIXS, которую мы разработали может быть применена в других областях основной энергии науки», сказал Хэнкок, отметив, что развитие является очень своевременным, и что оно может быть полезно в поисках «топологических изоляторов кондо» - материалов, которые были предсказаны в теории, но до сих пор не обнаружены.
|
