Материалы, помещённые в экстремально сильные магнитные поля, могут порождать необычные и захватывающие физические явления. Исследования показывают, что при магнитных полях выше 100 тесла (Т) спины (то есть внутренние магнитные ориентации электронов) и атомы начинают формировать новые структуры, способствуя возникновению новых фаз вещества или растягивая кристаллическую решётку.
Одно из физических явлений, которое может происходить в таких экстремальных условиях, — магнитострикция. Этот эффект заставляет кристаллическую структуру материала растягиваться, сжиматься или деформироваться.
При экспериментальном создании магнитных полей выше 100 Т их можно поддерживать только очень короткое время, обычно всего несколько микросекунд. Это связано с тем, что их генерация создаёт большую нагрузку на провода, используемые для создания полей (то есть катушки), что приводит к их почти мгновенному разрушению.
Новое оборудование для изучения твёрдого кислорода
Исследователи из Университета электрокоммуникаций в Токио, RIKEN и других институтов в Японии недавно разработали новое оборудование для кратковременного создания чрезвычайно сильных магнитных полей около 110 Т, а затем для фиксации положений атомов в материалах под этими полями.
В статье, опубликованной в журнале «Physical Review Letters», они сообщают о новых выводах, полученных при применении этих методов к изучению твёрдого кислорода.
«Основная цель исследования — изучить экстремальный мир сверхвысоких магнитных полей от 100 до 1000 Т», — рассказал Акихико Икеда, первый автор статьи, изданию Phys.org. «В ходе исследования мы впервые провели рентгеновский эксперимент выше 100 Т, что имеет большое значение с точки зрения изучения новых горизонтов».
Для проведения экспериментов Икеда и его коллеги использовали портативный генератор магнитного поля, который они разработали, под названием PINK-02. Этот генератор позволил им создать чрезвычайно высокое магнитное поле примерно в 110 Т на несколько микросекунд.
Затем исследователи использовали лазерную технологию для облучения кристаллов твёрдого кислорода сверхбыстрыми импульсами XFEL-излучения, когда они были подвергнуты воздействию этого чрезвычайно сильного магнитного поля. Этот подход позволил им зафиксировать снимки, показывающие положения атомов твёрдого кислорода во время магнитного импульса.
«Новизна нашей работы заключается в новом портативном генераторе на 100 Т, который называется PINK-02, — пояснил Икеда. — Этот генератор был объединён с рентгеновским лазером на свободных электронах, что возможно только благодаря портативности PINK-02».
В итоге команда проанализировала снимки и сравнила положения атомов до и во время воздействия на твёрдый кислород магнитного поля в 110 Т. Это дало интересные результаты, показав, что кристалл подвергся гигантской магнитострикции и был растянут примерно на 1%.
Исследователи связали наблюдаемую магнитострикцию с конкурирующими спиновыми взаимодействиями и решёточными силами в сильных магнитных полях. Таким образом, их работа показывает, что при магнитных полях свыше 100 Т спины влияют на кристаллическую структуру твёрдых материалов, особенно твёрдого кислорода.
В будущем генератор магнитного поля, который они разработали, и рентгеновский лазер, который они использовали, могут быть применены для изучения других материалов в тех же экстремальных условиях.
«Наши результаты демонстрируют, что спины могут влиять на стабильность кристаллической структуры материала, в случае нашего исследования — твёрдого кислорода», — добавил Икеда. «Теперь мы попытаемся раскрыть кристаллическую структуру твёрдого кислорода, называемую θ-фазой, путём дальнейшего увеличения доступных магнитных полей до 120–130 Т, и выясним изменение кристаллической структуры различных материалов при полях выше 100 Т».
© 2025 Science X Network