Недавние исследования выявили удивительную связь между поведением электронов и физической структурой твёрдого кислорода при воздействии чрезвычайно мощных магнитных полей. Учёные продемонстрировали, что эти интенсивные магнитные силы могут значительно изменять расположение атомов внутри твёрдого тела, приводя к искажению его кристаллической структуры.
Экстремальные магнитные поля: область новых явлений
Воздействие на материалы чрезвычайно сильных магнитных полей — гораздо более мощных, чем те, которые обычно встречаются в повседневной жизни — часто приводит к необычным и увлекательным физическим изменениям. Когда магнитные поля превышают 100 тесла (T), внутренние магнитные ориентации электронов, известные как спины, и сами атомы начинают упорядочиваться новыми способами, потенциально приводя к возникновению новых фаз материи или растяжению кристаллической решётки.
Одно из ключевых явлений, наблюдаемое при этих условиях, — магнитострикция, при которой кристаллическая структура материала подвергается деформации — растяжению, сжатию или скручиванию — в ответ на магнитное поле.
Задача создания интенсивных магнитных полей
Создание столь мощных магнитных полей представляет собой серьёзную инженерную задачу. Современные технологии позволяют поддерживать эти поля только в течение крайне коротких промежутков времени, обычно всего несколько микросекунд. Это связано с тем, что интенсивные силы создают огромное напряжение на катушках, используемых для генерации полей, часто приводя к их быстрому разрушению.
Прорыв в генерации магнитных полей
Исследователи из Университета электросвязи в Токио, RIKEN и других институтов в Японии недавно сделали важный шаг вперёд в этой области. Они разработали новое оборудование, способное кратковременно генерировать магнитные поля около 110 Т и одновременно фиксировать положения атомов внутри материала, подвергающегося воздействию этих полей.
Их результаты, недавно опубликованные в Physical Review Letters, дают новые сведения о поведении твёрдого кислорода при этих экстремальных условиях. “Основной целью этого исследования было изучение экстремального мира ультравысоких магнитных полей между 100 и 1000 Т,” — объяснил Акихико Икеда, первый автор исследования, в интервью Phys.org. “Наш эксперимент, который включал применение поля выше 100 Т впервые, представляет собой значительный шаг вперёд в этой области исследований.”
Фиксация “снимков” атомов под давлением
Для достижения этой цели Икеда и его команда использовали недавно разработанный портативный генератор магнитных полей, получивший название PINK-02, который позволял им создавать чрезвычайно сильное магнитное поле около 110 Т в течение нескольких коротких микросекунд. Затем они объединили это с лазерными технологиями для испускания ультрабыстрых импульсов XFEL рентгеновского излучения на кристаллах твёрдого кислорода во время воздействия интенсивного магнитного поля. Это позволяло им эффективно фиксировать «снимки», раскрывающие точное положение атомов кислорода во время магнитного импульса.
“Новизна нашей работы заключается в недавно разработанном портативном генераторе 100 Т, PINK-02, который абсолютно необходим для этих типов исследований,” — объяснил Икеда. “Его портативность позволила объединить его с рентгеновским свободным электронным лазером.”
Гигантское растяжение: магнитострикция в твёрдом кислороде
Тщательно анализируя эти снимки и сравнивая положения атомов до и во время воздействия магнитного поля, исследователи обнаружили поразительные результаты. Они наблюдали значительную магнитострикцию в твёрдом кислороде, где кристаллическая структура была растянута примерно на 1%. Это указывает на существенное изменение физического расположения материала под воздействием интенсивного магнитного поля.
Наблюдения команды свидетельствуют о сложном взаимодействии между спинами электронов и силами, управляющими кристаллической решёткой. Под магнитными полями, превышающими 100 Т, спины электронов оказывают значительное влияние на кристаллическую структуру твёрдых материалов, особенно в случае твёрдого кислорода.
Направления будущих исследований в физике конденсированного состояния
Генератор магнитных полей и лазерная технология, разработанные командой, открывают многообещающие возможности для изучения других материалов при аналогичных экстремальных условиях.
“Наши результаты демонстрируют, что спины электронов могут влиять на стабильность кристаллической структуры материала, как мы видим с твёрдым кислородом,” — добавил Икеда. “Мы планируем увеличить доступные магнитные поля до 120-130 Т, чтобы дальнейшим образом исследовать структуру определённой фазы твёрдого кислорода, называемой θ-фазой. Мы также стремимся выявить структурные изменения в различных материалах выше 100 Т.”
В заключение, это исследование демонстрирует мощное влияние спинов электронов на кристаллическую структуру твёрдых материалов при экстремальных магнитных полях. Разработка портативных генераторов высокого поля и современных рентгеновских техник открывает захватывающие новые возможности для изучения фундаментальных свойств материи на её границах.
