Что будет, если создать сплав магнитного металла и немагнитного?
Думаете, магнитные свойства уйдут? А вот и нет – они усилятся! Здесь и кроется загадка магнитострикции сплавов железо-галлий.
Научная группа физиков ЧелГУ под руководством профессора Василия Бучельникова занимается изучением магнитострикционных свойств сплавов железо-галлий.
«При внешнем воздействии, например, магнитного поля или прикладываемого напряжения меняются линейные размеры магнетика вследствие изменения его магнитного состояния, объясняет суть явления старший преподаватель кафедры физики конденсированного состояния физического факультета ЧелГУ Мария Матюнина. – Происходит удлинение образца, а объём остаётся тем же. Это явление и называется магнитострикцией. Причём, когда мы убираем воздействие, сплав возвращается к своей форме. Концентрационная зависимость магнитострикции в сплавах Fe-Ga демонстрирует двухпиковое поведение и достигает в малых магнитных полях значений порядка 0.04% (для сравнения магнитострикция железа составляет 0.003 %)».
Несмотря на то, что железо – магнитный элемент, а галлий – немагнитный, на первый взгляд может показаться, что при их сплавлении магнитные свойства должны теряться. Но этого не происходит, они, наоборот, усиливаются. В этом, как говорят физики ЧелГУ, и заключается главная загадка магнитострикции сплавов Fe-Ga.
Возможности практического применения сплавов железо-галлий достаточно широки. В будущем такие материалы могут быть востребованы в электронных приборах в качестве датчиков, в микроэлектромеханических системах в роли магнитострикционных приводов и в сенсорных устройствах. Так, линейное перемещение магнитострикционного актуатора осуществляется за счет изменения формы материала под воздействием магнитного поля. Магнитострикционные материалы не деградируют со временем и не боятся перегрева, а при прекращении внешнего воздействия восстанавливают свои свойства и линейные размеры.
Если говорить о явлении магнитострикции в целом, то оно, будучи открытым Джеймсом Джоулем ещё в середине XIX века, длительное время изучалось в металлах, сплавах и соединениях на основе железа.
«Рекордные значения магнитострикции были обнаружены в соединениях железа с редкоземельными элементами тербием и диспрозием (0,2 %). Однако широкому применению в технике этих соединений препятствуют низкие механические характеристики, высокая стоимость и высокая магнитная анизотропия, – поясняет Мария Матюнина. – Гигантские значения магнитострикции в сплавах Fe-Ga, обнаруженные в 2000-х годах, дали новый толчок к исследованию магнитных материалов. На сегодняшний день системы Fe-Ga – лидер в магнитострикционных материалах, не содержащих редкоземельные элементы».
Изучением магнитострикции сплавов Fe-Ga в ЧелГУ занимается научная группа под руководством профессора Василия Бучельникова, в которую входят профессор Владимир Соколовский, доценты кафедры радиофизики и электроники Михаил Загребин и Оксана Павлухина, старший преподаватель кафедры физики конденсированного состояния физического факультета ЧелГУ Мария Матюнина.
«Моя диссертационная работа основана на исследовании свойств различных кристаллических структур сплава Fe-Ga при помощи теории функционала плотности и метода Монте-Карло, – отмечает Мария Матюнина. – Период активной работы над кандидатской диссертацией у меня совпал с получением нашей командой гранта РНФ (проект № 18-12-00283, 2018-2021 гг.), по условиям которого мы сотрудничали с экспериментальной группой из МИСИС под руководством профессора Игоря Станиславовича Головина. Все наши теоретические расчёты согласуются с экспериментальными исследованиями».
На пути исследователей было немало сложностей, но основная из них – расчёты постоянных магнитострикции.
«Для того, чтобы полученные данные были адекватными, моделируемая кристаллическая решётка должна быть достаточно большой. Но пока ресурсы вычислительного кластера ЧелГУ ограничены, – признаётся Мария Матюнина. – В связи с этим, к сожалению, расчёты магнитострикции занимают большое количество времени. Благодаря программе, написанной профессором В.В. Соколовским, нам удалось при помощи моделирования методом Монте-Карло получить температурную зависимость намагниченностей сплавов Fe-Ga и оценить температуры Кюри. Кроме того, параллельно мы оценили величину магнитокалорического эффекта в сплавах Fe-Ga, однако из-за высоких значений температуры Кюри данный материал уступает по магнитокалорическим характеристикам сплавов Гейслера. А вот магнитострикционные свойства у сплава Fe-Ga, напротив, проявляются в широких диапазонах температур (от минус 20 до плюс 80 градусов по Цельсию)».
В настоящее время физики ЧелГУ продолжают исследовать зависимость величины магнитострикции от фазового состава, переключив внимание на область высоких концентраций.
«При концентрациях Ga выше 25 атомных процентов в сплаве, атомы Gа замещают атомы железа на его регулярных позициях. И нам важно понять, какое пространственное расположение атомов будет в большей степени способствовать усилению магнитострикции, – поясняет Мария Матюнина. – Одно из направлений исследований будет касаться вопроса увеличения магнитострикции. Например, с этой целью в сплав можно добавить небольшое количество редкоземельных элементов. Следующим этапом наших исследований будут также расчёты температурной зависимости магнитострикции. Мы надеемся, что добавка третьего элемента в сплавы Fe-Ga приведет к появлению в них полуметаллического ферромагнитного поведения. Это свойство позволяет использовать такие сплавы в новом актуальном направлении физики конденсированного состояния – спинтронике. Думаю, хорошим подспорьем в этой работе будет грант РНФ-Челябинская область, который в этом году выиграла наша научная группа. В этом направлении уже сделаны первые шаги. Так, нами показано, что добавка родия в сплавы Fe-Ga приводит к высокой спиновой поляризации на уровне Ферми».
Добавим, помимо физиков ЧелГУ и московской группы Игоря Головина из МИСИС изучением сплавов Fe-Ga занимается научная группа под руководством Юрия Горностырёва из Института физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской Академии Наук в Екатеринбурге. В целом же в мире интерес к теме магнитострикции сплавов Fe-Ga очень высок среди учёных разных стран, в частности, в Китае, США, Австралии и т. д.
