Магниты – сердце большинства современных технологий, а их свойства эксплуатируются мириадами способов в широком спектре устройств, от простейших реле до невероятно сложных ускорителей частиц. Новый класс магнитов был обнаружен учёными университета Мэриленда и университета Темпл. Это открытие может привести к созданию расширяющихся магнитов, которые смогут заменить магниты из дорогостоящих редкоземельных сплавов, а также к созданию целого ряда новых устройств.
Поясним. 175 лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, в честь которого получила название соответствующая единица измерения, обнаружил явление магнитострикции. Оно заключается том, что при изменении состояния намагниченности тела из железосодержащих материалов его объём и линейные размеры изменяются (то есть магнитные свойства и форма объекта связаны). Учёные выяснили, что большая часть известных магнитных материалов именно так себя и ведут.
Работа со сплавами железа (в том числе железо-галлий), железо-германий и железо-алюминий, однако, привела к наблюдению некоторых никогда ранее не встречавшихся свойств: изменению объёма непосредственно в процессе намагничивания. Из-за принципиального несоответствия явлению, описанному Джоулем, новые магниты получили название "не джоулевы магниты".
"Наши результаты в корне изменили представление об определённом типе магнитизма, известном с 1841 года, – рассказывает профессор университета Темпл Харш Дип Чопра (Harsh Deep Chopra). – Мы открыли новый класс магнитов, названный "не джоулевыми магнитами", которые продемонстрировали большие изменения объёма в магнитных полях. Кроме того, эти магниты обладают также весьма примечательной способностью получать и преобразовывать энергию с минимальными потерями тепла".
Чтобы создать эти новые магнитные материалы Чопра вместе со своим коллегой, профессором материаловедения и инженерии Манфредом Вуттигом (Manfred Wuttig) нагревали определённые сплавы на основе железа в печи при температуре около 760 градусов по Цельсию в течение 30 минут, а затем быстро охлаждали их до комнатной температуры. Именно после охлаждения новые материалы и продемонстрировали не джоулево поведение.
Команда изучила вновь сформированные материалы под микроскопом и была поражена, обнаружив крошечные клеткоподобные структуры, которые и оказались ответственными за странную магнитострикцию.
"Реакция этих магнитов принципиально отличается от всего, что было описано Джоулем, – говорит профессор Вуттиг. – Он, должно быть, полагал, что все магнитные материалы реагируют однообразно. Однако знание об этой уникальной структуре позволит исследователям разработать новые материалы с аналогичными привлекательными свойствами".
Хотя это исследование находится лишь на начальном этапе, учёные уже заявляют о большом потенциале для производства многополюсных магнитов, созданных из простых и распространённых сплавов, которые позволят заменить дорогостоящие магниты из редкоземельных сплавов.
Исследователи утверждают, что энергетические характеристики этих новых магнитов открывают возможности для создания более эффективных и портативных датчиков и двигательных установок с постоянной небольшой тепловой подписью.
Вообще, возможные области применения необычных магнитов варьируются от эффективных устройств, собирающих энергию, и компактных микроприводов для автомобильной, космической и робототехники до приводов с исключительно низкими тепловыми подписями (которые сложно засечь), идеально подходящих для оборонной промышленности.
Научная статья Вуттига и коллег была опубликована в журнале Nature.
