Магнетизм наноструктур і матеріали спінтроніки
Магнетизм – це один з великих розділів сучасної фізики, що вивчає сукупність явищ і властивостей, пов’язаних з впливом магнітного поля. За однією з версій, походження слів «магнетизм» та «магніт» пов’язується з назвою грецької провінції Магнезія та міста Магнеси, в передмісті якого добувався магнетит – складний за будовою оксид заліза FeOFe2O3, здатний притягувати залізні предмети. За іншою версією, слово «магніт» походить від імені пастуха Магнеса, який першим знайшов вказаний мінерал. Вперше магнітну будову магнетиту розкрив французький вчений Неєль, який також розробив теорію ферімагнетизму, за що в 1970 році отримав Нобелівську премію з фізики. Цей приклад показує, що на розгадку таємниці мінералу магнетиту, відомого більш ніж 2.5 тисячі років, пішов фактично час, рівний розвитку науки про фізику магнітних явищ. Обумовлено це складністю опису явища магнетизму.
Магнітна взаємодія – одна із складових чотирьох фундаментальних взаємодій – електромагнітної взаємодії. Якщо першу частину такої взаємодії – електричну – пов‘язують із електричними зарядами, то наявність «магнітних» зарядів на сьогодні не встановлено, хоча електрична та магнітна взаємодії мають багато подібного і разом утворюють фундаментальну взаємодію. Якщо для опису електричної взаємодії на атомному рівні достатньо використовувати звичайну квантову фізику, то повний опис магнітної взаємодії можливий лише з використанням «релятивіської» квантової фізики, що вже свідчить про її більш складну природу. Незважаючи на те, що багато питань магнетизму вже розкриті, повна розгадка магнітної будови речовин і її вплив на властивості до цих пір ще не розкрита. Тому магнетизм залишається актуальною тематикою досліджень світової науки з точки зору фундаментальних аспектів.
Відкриття того чи іншого явища або матеріалу призводило до сплеску наукових досліджень. Тому, як і всяка наука, магнетизм має декілька етапів розвитку і переживав цілу низку сплесків. Серед останніх слід відмітити відкриття магнітних матеріалів, придатних для роботи в області високих та надвисоких частот, що дозволяло створювати ефективні магнітні матеріали для різних військових застосувань (радіолокаційні станції, передавачі та інші). Новий сплеск почався з використанням електронно-обчислювальних машин, коли виникла проблема створення носіїв інформації. Мініатюризація приладів породила новий підйом наукових досліджень в магнетизму як для створення нових носіїв інформації, так і мініатюрних електротехнічних приладів, включаючи трансформатори, електродвигуни і т.д. Створення ефективних магнітних матеріалів для такої цілі відіграє чи не основну роль.
В яких напрямах варто очікувати наступні сплески досліджень в рамках магнетизму? На сьогодні з точки зору магнітних властивостей інтенсивно вивчаються наноматеріали, біоматеріали, аморфні матеріалів і т.д. Крім того, ідея «квантового комп‘ютера» пов’язана з хвильовими функціями, що характеризують електронні стани. Але хвильова функція електрону пов’язана з орбітальним моментом електрона, а останній – з магнітним моментом, що є основою магнетизму.
Кафедра фізики металів є чи не єдиною на фізичному факультеті, яка проводить дослідження в області магнетизму. Такі дослідження почалися ще в 70-х роках минулого століття, а особливо інтенсифікувалися в 80-х роках, коли були створені магнетометри Фарадея. Магнетометри Фарадея – установки, що дозволяють вимірювати магнітну сприйнятливість речовин. Принцип його роботи ґрунтується на вимірюванні сили, яка діє на зразок в магнітному полі. Оскільки вказана сила залежить від магнітного стану речовини, то будь-які зміни намагнічування зразка відобразяться на величині сили. Унікальність таких установок полягає в наявності вагових головок, котрі дозволяють вимірювати вагу зразків та її зміни. Точність вимірювання в цьому випадку складає 10-6 г (або 10-5Н по силі). Така чутливість дозволяє досліджувати широке коло матеріалів з різним типом магнітного впорядкування (парамагнетики, діамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики і т.д.).
Схема магнетометра Фарадея (зліва) та робота студентів на ньому (справа)
На кафедрі наявні дві установки, що працюють в різних температурних інтервалах. Одна – в інтервалі від температури рідкого гелію (4.2 К) до кімнатної (300 К), друга – від кімнатної температури до 950 К. Сила, що діє на зразок, перетворюється в електричний сигнал, який і аналізується при дослідженні. Задачі, які можуть вирішуватися в такому випадку: визначення температур як магнітних, так і не магнітних переходів, визначення магнітних моментів складових речовин, оцінювання сил обмінної магнітної взаємодії та ряд інших. Приклади таких досліджень зображені на рисунках.
Зображення частинок нікелю, осаджених на терморозширений графіт (нанокомпозиційний матеріал, отриманий на кафедрі) (зліва) та фрагменти температурних залежностей магнітної сприйнятливості такого нанокомпозиту при різних умовах синтезу (різний час) (справа). Чітко спостерігається зменшення температури Кюрі матеріалу, порівняно з масивним нікелем (631К). З цих даних можна провести оцінку середнього розміру наночастинок нікелю
Плідна співпраця співробітників кафедри з науковими лабораторіями Інституту магнетизму, Інституту металофізики, Інституту проблем матеріалознавства дозволяє проводити інші дослідження магнітних властивостей матеріалів, що разом з наявними на кафедрі можливостями структурних досліджень, дозволяє вирішувати широке коло задач не тільки в області магнетизму, але й в інших наукових та технічних напрямках.
Стрічка з аморфного матеріалу, що використовується як магнітний матеріал в радіотехніці (зліва) та зображення бічної поверхні (справа) одного із сплавів системи Fe-B-P-Nb-Cr