Впервые создан беспорядочный магнит

Магнетизм удается успешно описывать на редкость простыми математическими моделями (изображение с сайта tina.nat.uni-magdeburg.de)

Магнетизм интересует физиков по разным причинам. Прежде всего, из-за многочисленных практических приложений, реализация которых требует глубокого понимания явления. Во-вторых, потому что он помогает лучше понять свойства материалов на атомном уровне — ведь магнетизм в веществе возникает из-за сложного устройства и взаимодействия электронных оболочек соседних ионов. Наконец, в отличие от многих других областей материаловедения, магнетизм можно промоделировать с помощью простых, но очень емких теоретических конструкций, например спиновых цепочек. А это значит, что иногда путь от математических изюминок в этих конструкциях до эксперимента может оказаться на удивление коротким.

В недавней статье, появившейся в журнале Nature, сообщается, фактически, об открытии нового направления в экспериментальной физике магнитных явлений. Исследователи из США и Великобритании впервые в мире создали беспорядочный магнит, который теоретики придумали 40 лет назад, и уже первые эксперименты подтвердили предсказанные теоретиками забавные свойства этого магнита.

Но сначала несколько слов о ферромагнетизме. Ферромагнетик (то, что в повседневной жизни называется просто магнитом) содержит такие атомы, электронные оболочки которых обладают собственным магнитным моментом. Образно выражаясь, каждый атом похож на маленький магнитик со своим «северным» и «южным» полюсом. Находясь в кристалле, он взаимодействует со своими соседями и стремится развернуться в согласии с ними, из-за чего весь кристалл целиком становится намагниченным.

Однако при повышении температуры тепловые колебания атомов начинают расшатывать эту строгую упорядоченность — начинается борьба порядка и теплового беспорядка. Максимальная температура, до которой магнетизм еще «держится», называется точкой Кюри; при более высоких температурах тепловой беспорядок пересиливает, и спонтанная намагниченность пропадает.

Свойства вещества в непосредственной близости к точке Кюри чрезвычайно заинтересовали теоретиков. Оказалось, что вещество в этом случае становится «критическим» — в нём появляется самоподобность, и оно реагирует на внешние возмущения не на уровне атомов, а целиком огромными областями.

Благодаря симметрии, в строго периодической решетке не возникает никаких поперечных полей. Однако если часть магнитных ионов гольмия (Ho) заменить на немагнитные ионы иттрия (Y), появятся беспорядочно ориентированные поперечные поля (адаптированное изображение из обсуждаемой статьи)

Начав разбираться с этой задачей, теоретики поняли, что есть еще один способ внести в задачу беспорядок — поместить образец в хаотическое поперечное магнитное поле. В таком магните тоже может возникнуть критическое состояние, но со своими особенностями. Например, в 1969 году Роберт Гриффитс предсказал, что магнитная восприимчивость такого магнита (то есть то, насколько сильно он намагничивается в том или ином поле) будет зависеть от силы внешнего поля не плавно, как это обычно бывает, а с резким изломом.

Такую особенность, получившую название «сингулярность Гриффитса», экспериментаторы до сих пор не могли «нащупать», и их можно понять. Ведь для того, чтобы получить такой магнит, надо создать хаотическое магнитное поле. Но как это сделать? В 1970-е годы возникла идея внедрить в магнит «чужеродные» атомы, которые и изменят магнитное поле внутри кристалла. Эту идею уже даже применили к антиферромагнетикам — веществам со «скрытым магнетизмом», — но только сейчас, в описываемой работе, удалось реализовать ее для настоящего магнита.

Для своих экспериментов авторы научились создавать кристаллы с общей формулой LiHoxY1-xF4 с разным значением числа x (x = 1,0, 0,65 и 0,44). В таком кристалле ионы лития (Li) и фтора (F) играют роль каркаса, а магнитные ионы гольмия (Ho) обеспечивают ферромагнетизм. В случае, когда x не равно единице, часть мест, «предназначенных» для гольмия, занимают немагнитные ионы иттрия (Y) — то есть строгая периодическая решетка магнитных ионов оказывается как бы «разбавлена» немагнитными примесями.

Такое внедрение немагнитных примесей кардинально влияет на магнитное поле внутри кристалла. Если раньше, при x = 1, из-за строгой симметрии никакого поперечного поля внутри вещества не было, то теперь то там, то тут возникало нескомпенсированное поперечное поле. А так как ионы примеси расположены в кристалле хаотично, то это поперечное поле тоже беспорядочно менялось от места к месту — как раз то, что и требовалось создать!

Очень важный момент: сила этого беспорядочного поля внутри кристалла не фиксирована, ею можно легко управлять с помощью внешних полей. А это значит, что все свободные параметры задачи можно настроить так, как хочется экспериментатору, и проверить давние предсказания теоретиков.

С этой задачей экспериментаторы справились блестяще. Они научились контролировать силу хаотического магнитного поля в очень широком диапазоне, покрывавшем пять (!) порядков. График полученных данных показал четкий излом — как раз проявление сингулярности Гриффитса. Авторы пишут, что они использовали одну из самых простых методик изучения ферромагнетиков. Применение гораздо более чувствительных методик позволит узнать устройство и поведение этого «беспорядочного магнита» во всех деталях.