Geležies ir nikelio magnetizmas - Žemėje ir Žemėje

Geležies ir nikelio magnetizmas – Žemėje ir Žemėje

Andrejus Kataninas
Fizikinių ir matematinių mokslų daktaras, Metalo fizikos instituto vyriausiasis mokslinis bendradarbis. M. N. Михеева Уральская filialas anksčiau, profesorius anksčiau
"Kommersant Science" №6, 2017 m. Rugsėjo mėn

Žemės magnetizmą lemia geležies ir jo branduolio nikelis. Tačiau dar nėra aišku, kaip tai padaryti. Foto: Mokslo fotografijos biblioteka / AFP

Žmonės jau keletą tūkstantmečių žinojo apie sausumos magnetizmą, tačiau jos priežastis dar nebuvo išaiškinta. Teoriniai tyrimai uralo fizikų gali atsakyti į šį klausimą.

Geležies magnetinės savybės buvo atrastos per keletą tūkstantmečių prieš Kristų. er Taigi, Kinijoje, kompaso kūrimui buvo naudojami magnetinių medžiagų gabalai. 1269 m. Parašytas Petro Peregrino knyga ant magneto, o 1600 m. Williamas Gilbertas rašė traktatą "Magnetas", kuriame aprašomos pagrindinės magnetų savybės ir analizuojamas Žemės magnetizmas. Šiandien geležis, įskaitant jo magnetines savybes, randa daugybę skirtingų technologinių pritaikymų. Geležis yra ne vienintelė magnetinė medžiaga, nikelis ir kobaltas, kuriuos galima pastebėti, kurie daugelį metų suinteresuoti žmonėmis ir yra taip pat plačiai naudojami.

Nepaisant ilgo magnetizmo tyrimo, šis reiškinys vis dar kelia naujus klausimus. Kasdieniame gyvenime mes jaučiame magnetizmą kaip traukos ar atstumties tarp kūnų.Fizikoje magnetizmas suprantamas kaip kūno gebėjimas palaikyti liekamą magnetizaciją (ty savo magnetinį lauką), kai nėra išorinio magnetinio lauko. Ir jau šis laukas gali paveikti kitas magnetines korteles.

Du magnetizmo sampratos

Bendras daugumos magnetinių medžiagų turtas yra tas, kad jų magnetizmas yra dėl vadinamųjų "pereinamųjų metalų turinčių" atomų d-elektronai (indeksas d nurodo tam tikrą atomo elektroninių būsenų simetriją). Pereinamieji metalai yra ne tik geležis, kobaltas ir nikelis, jų yra kelios dešimtys.

Lokalizuota (viršuje) ir zona (žemyn žemyn) feromagnetizmo nuotraukos

Su elektronų nugara ir su juo susijusios magnetinio momento koncepcija atėjimas, buvo pasiūlytos dvi skirtingos kvantinis mechaninis nuotrauka magnetizmo – ir lokalizuota zona.

Lokalizuota nuotrauka formuluojamas Heizenbergo, kad nurodyti kristalo elektronai nėra pereiti nuo vienos atomu, prie gretimų bet tarp elektronų kaimyninių atomų yra mainų sąveika. Tai yra grynai kvantinis efektas dėl skirtingų lygiagrečių ir priešparaliuotinų verpimo tvarkų energijos.Priešingai, "Stoner" juostos modelis reiškia elektronų judėjimo galimybę, o jų sąveika daugiausia buvo vykdoma per vieną atomą.

Iš pirmo žvilgsnio juostos vaizdas atrodė labiau pritaikytas prie pereinamųjų metalų. Tačiau ji negalėjo paaiškinti kai kurių reiškinių, pavyzdžiui, Curie-Weiss įstatymo, kuriame aprašoma tiesinė priklausomybė nuo atvirkštinės jautrumo temperatūrai (jautrumas yra sistemos atsakas į silpną išorinį magnetinį lauką). Tuo pačiu metu buvo visiškai neaišku, kodėl lokalizuotų elektronų vaizdas, kuris, atrodo, negalėjo būti taikomas pereinamiesiems metalams (ypač geležies), gerokai aprašo eksperimentą.

1950-ųjų pabaigoje – 1960-ųjų pradžioje Neville Mott ir po jo John Gudnaffe pasiūlė, kad kai kurie elektronai geležyje (ty elektronai, atitinkantys vadinamąjį pvzteigia du iš penkių galimų d– nurodo atomą) yra būdingos "neveikiančios bangos funkcijos", tai yra, jie nespėja, jie yra lokalizuoti.

Nors iki to laiko sąvoka "elektronų perėjimas iš grupės", vedanti valstybę į lokalizuotą valstybę, jau atsirado (dėka Mott'o kūrinio), Motto-Gudanafo prielaida buvo kur kas platesnė už esamas teorines prielaidas.Tai atitinka vadinamąjį metalo-izoliacinės orbitos priklausomą perėjimą, įvestą daug vėliauorbitinis selektyvus Mott pereinamasis laikotarpis).

Vėliau (devintajame dešimtmetyje) sukurtos metalų keitimo sąveikos apskaičiavimo metodai, pagrįsti juostos teorija, leido gauti tam tikras teorines vietinės geležies buvimo vietos nuorodas, tačiau jau šių skaičiavimų metodu elektronų pobūdis buvo elektronų .

Petras Peregrinas (Petrus Peregrinus). Šį lotynišką pseudonimą pasirašė 13-ojo amžiaus prancūzų fizikas Pierre Pelerin de Maricourt. Tikslios jo gyvenimo datos nėra žinomos. Peregrinas yra pirmojo eksperimentinio tyrimo autorius ir pirmasis išsamus mokslinis magnetizmo darbas.

William Gilbert (William Gilbert), 1544-1603 m. – anglų fizikas ir teismo gydytojas, elektros ir magnetizmo tyrėjas, pirmosios magnetinių reiškinių teorijos autorius.

Sir Neville Francis Motte (Nevill Francis Mott), 1905-1996 – anglų fizikas, Nobelio premijos laureatas fizikoje 1977 m. Kartu su Philip Anderson ir John van Fleck'u "Pagrindinių teorinių magnetinių ir nesaugių sistemų elektroninės struktūros studijų" nuo metalo iki izoliatoriaus.

John gudenaf (John Goodenough), gimęs1922 m. – Amerikos mokslininkas, fizikos ir medžiagų mokslo specialistas.

Pirmieji žingsniai į vieningą teoriją

Situacija pasikeitė tik dešimtojo dešimtmečio pabaigoje – 2000-ųjų pradžioje, atsiradus ir plėtojant vadinamąją dinaminę lauko teoriją. Ši teorija apytikriai sumažina sudėtingą elektronų judėjimo kristale problemą, atsižvelgiant į jų būklės pasikeitimą su laiku į vieną pasirinktą atomą. Ši teorija leido mums apibūdinti daugelio cheminių medžiagų metalizolatoriaus perėjimus, dėl kurių natūraliai kilo klausimas dėl jo gebėjimo paaiškinti pereinamųjų metalų magnetizmą.

Visų pirma, geležis ir nikelis buvo tirti pagal šią teoriją Michailas Katsnelsonas, Aleksandras Lihtenšteinas kartu su amerikiečių fizikumi Gabrieliu Kotlyaru 2001 metais.

Pirmą kartą jie buvo gauti iš visiškai mikroskopinių (ty išeinančių iš pirmojo principo lygčių) skaičiavimo juostos paveiksle, jie gavo linijinį atvirkštinės jautrumo su temperatūra elgesį (Curie-Weiss įstatymas), kuris paprastai interpretuojamas kaip vietinių momentų buvimo indikatorius. Jie taip pat nustatė silpną vietos jautrumo priklausomybę nuo laiko (apie įsivaizduojamo laiko ašį, kurią lengviau studijuoti teoriniu požiūriu), nurodant vietos akimirkų buvimą.Kai kur atrodė, kad geležies ir kitų pereinamųjų metalų problema buvo beveik išspręsta.

Energijos zonos

Atomo elektronų energijos lygiai yra diskretiški. Kristalinėje kietoje medžiagoje susidaro visos leidžiamos energijos (leidžiamos juostos) ir uždraustos energijos (uždraustos juostos) ribos. Siekiant šiek tiek supaprastinti, galima sakyti, kad leidžiamos zonos yra suformuotos iš atominių lygių, kai atomai sujungiami į kristalą, o likusią erdvę užima draudžiamos zonos.

Klasikinių idėjų plėtra naudojant naujus metodus

Tačiau 2000-ųjų viduryje pasirodžiusi iš metalinių izoliatorių priklausančių orbitinių perėjimų koncepcijos atsiradimas vėl privertė persvarstyti ir papildyti anksčiau gautus rezultatus. Čia aš kreipiuosi į savo tyrimą kartu su kolegomis. Mano susidomėjimas geležies problema kilo 2007 m. Dėl diskusijų Kvetinių medžiagų mokslo institute, pastaruoju metu įsteigtoje Jekaterinburge, tačiau vėliau viršijo šio instituto struktūrą. Visų pirma mane domino klausimas, kaip Motto ir Gudenafo idėjos jau gali būti toliau plėtojamos taikant šiuolaikinius elektroninių koreliacijos analizių metodus.

Elektroninė geležies atomo konfigūracija. Koncentruotieji ratai atitinka skirtingus atomo energijos lygius. Žali taškai pavaizduoti elektronus ant orbitiniųs (žiedinis) mėlynas – apiep (pailgos) oranžinė – apied-orbitai su sudėtingesniu erdvėje

Atsižvelgiant į tai, atsirado mintis dėl geležies dinaminės vidutinės lauko teorijos kontekste, atkreipiant dėmesį į įvairių elektronų orbitalių indėlį į stebimas savybes. Jau iš grupės struktūros tai sekė įmokas t2g ir pvz – Elektroninės būsenos liaukoje turi būti skirtingos. (Čia yra pavadinimai t2g ir pvz vėlgi susiję su elektronine simetrija d-status kubinių grotelių, kiekvieno atomo iš penkių galimų d– yra trys valstybės t2g-status ir du pvz– teigia, – kiekvienoje iš dviejų galimų elektrono nugaros elementų. Kietajame, šios valstybės sudaro atitinkamai t2g– ir pvzzonos). Iš tiesų, dvi elektroninės zonos – t2g ir pvz – išdėstyti visiškai skirtingai (tiksliau, jie turi skirtingą elektronų energijos priklausomybę nuo impulso). Ir likę mažiau reikšmingi, vadinamieji ne vietos poveikiai gali būti laikomi pagal pasipiktinimo teoriją.

Mano nuomonė apie šią problemą prasidėjo bendradarbiaujant su grupe Vladimiras Anisimovas instituto Metalo fizikos Uralo skyriaus Rusijos mokslų akademijos. Kaip rodo dinaminio lauko teorijos metodo skaičiavimai, elgesys t2g– ir pvz-elektronai yra visiškai skirtingi. Visų pirma, vadinamoji elektronų savarankiškumas, apibūdinantis elektronų sąveikos įtaką jų judėjimui, turi skirtingą energijos priklausomybę t2g– ir pvz-status Be to, priklausomybė, gauta už pvz-status, iš tiesų liudijo jų lokalizavimo galimybę. Be to, buvo apskaičiuoti orbitos įnašai į vietinį (tai yra atitinkamas vieno atrinkto atomo į jį pritaikytas išorinis magnetinis laukas). Paaiškėjo, kad indėlis pvz– vietos jautrumas yra gerai aprašytas Curie įstatyme (ypatingame Curie-Weiss teisės akte), kuris vėlgi liudijo stiprų šių valstybių lokalizavimą. Tuo pačiu metu ir indėlis t2g-statai rodo sudėtingesnę priklausomybę nuo temperatūros, bet dėl ​​mišrios t2gpvzInstrukcijos visiško vietos jautrumo taip pat atitinka Curie įstatymą.Dinaminis vietinis jautrumas, kuris apibrėžiamas kaip atsakas jau nuo laiko priklausančio išorinio magnetinio lauko, pasižymi siauru maksimaliu savybiu sistemoms, turinčioms vietos momentus.

Griežtai kalbant, aukščiau aprašytame Curie įstatyme dėl vietos jautrumo yra ir nedidelis pataisymas. Tai rodo, kad egzistuoja žema temperatūra, žemiau kurios vietos momentai nustoja egzistuoti ir yra, kaip sakoma, ekranuoti mobiliojo laidumo elektronai (tai vadinama Kondo efektu, kai Japonijos fizikas atrado efektą).

Raudonosios armijos netiesioginio keitimosi tarp vietos momentu atsiradimo schema (ilgos strėlės) per laidumo elektronus (trumpos strėlės). i, j atitinka du skirtingus atomus, – Hundo sąveika, plonos strėlės parodyti šuolio kryptį

Tikrasis nevietinio efekto (įskaitant magnetinio keitimo pobūdį) pagal teorijos pasipiktinimą sistema buvo atlikta daug vėliau, 2015-2017 metais bendradarbiaujant su Petru Igoševu, Aleksandru Belozerovu ir Vladimiru Anisimovu. Norėdami apskaičiuoti magnetinį keitimą, galite laikytis ilgalaikės idėjos, kad tai yra dėl netiesioginio keitimo per laidumo elektronus.Tai yra vadinamasis Raudonosios armijos mechanizmas: Ruderman-Kittel-Kasui-Yosida (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida); Sovietų Sąjungoje panašios idėjos buvo sukurtos Semionas Šubinas ir Sergejus Vonsovskis. Netiesioginis keitimasis yra vietos momentų sąveika per mobilius, laisvieji elektronai. Tačiau problema yra ta, kad nėra aiškių šių būsenų atskyrimo pereinamuosiuose metaluose, nes vietiniai momentai turi ribotą gyvenimo trukmę, ir tas pats elektronas gali būti lokalizuotas arba deokalizuojamas skirtingais laikais. Tačiau ši problema gali būti apeinama (bent jau geležies atveju) naudojant matematines transformacijas – perrašant elektroninės sistemos jautrumą formoje, kurioje aiškiai išskiriama veiksmingų magnetinių momentų sąveika. Šiuo atveju tai tik Raudonosios armijos forma. Gauti "kvazilokalūs" momentai gali būti susiję su pastebimomis vietinėmis akimirkomis. Šis metodas suteikia gerų rezultatų, palyginamų su anksčiau gautomis grynai juostų teorijomis, kuriose, kaip jau minėta, nėra vietinio momento sąvokos.

Taigi, liaukoje yra aiškiai apibrėžtos vietos akimirkos, atsirandančios dėl mainų sąveikos.Tuo pačiu metu buvo apskaičiuoti ne vietos koregavimai, dėl kurių buvo galima pasiekti gerą su eksperimentiniais duomenimis.

Geležis, nikelis ir žemės magnetizmas

Kaip pastarieji tyrimai parodė bendradarbiaujant su J. Sanjovani grupe Würzburgo universitete (Vokietija), nikelio magnetinės savybės rodo ir panašumus, ir skirtumus nuo geležies. Skirtumas tarp nikelio atomo ir geležies yra tas, kad jis turi aštuonias, o ne šešias d-elektronai. Nors, lyginant su geležimi, vietinis jautrumas nikeliui atitinka Curie-Weiss įstatymą, nikeliu jis visiškai kitokio pobūdžio, tai yra daugiausia dėl juostos struktūros, o ne su sąveika. Be to, nikeliu vietinis momentas yra gana mažas, be to, jau esant aukštai temperatūrai jis yra iš dalies ekranuotas. Vienintelis sąveikos vaidmuo yra smarkiai sumažinti Kondo temperatūrą, virš kurios vietos veiksmai yra gerai apibrėžti, nuo kelių tūkstančių iki kelių šimtų laipsnių.

Esant aukštam slėgiui, geležis tampa nemagnetine. Tačiau pridedant šiek tiek nikelio grąžinamas magnetizmas.

Šios (ir kai kurios kitos, neapibūdintos čia) įdomios nikelio savybės neseniai buvo toliau plėtojamos geležies nikelio lydiniams, esant slėgiui.Esant slėgiui, geležis yra ypatingoje vadinamoje epsilono fazėje, kuri iš esmės skiriasi nuo "normalios" geležies alfa fazės. Visų pirma epsilono geležyje nėra jokių vietinių magnetinių momentų. Tačiau nikelio atomų pridėjimas prie epsilono geležies net nedidelėje koncentracijoje kokybiškai keičia padėtį.

Elektroninės nikelio ir epsilono geležies struktūros ypatybės yra tokios, kad jų lydinio magnetinės savybės, turinčios net mažą nikelio kiekį, yra artimos "paprasto" nikelio savybėms. Šis faktas gali turėti svarbių pasekmių sausumos geomagnetizmo paaiškinimui. Manoma, kad vidinėje Žemės šerdyje yra geležies ir nikelio koncentracija apie 4: 1. Nors esant didelėms žemės temperatūroms geležis yra skysta, geležies atomų mobilumas yra mažas, o jų būklė gali būti koreliuota su viena iš kristalinių fazių. Tokiu atveju nemagnetinė epsiloninė fazė atrodo labiausiai energiškai palanki. Tada būtent nikelio buvimas Žemės branduolyje gali sukelti Žemės magnetinio lauko išvaizdą dėl vadinamojo geodinamo efekto (skysčio šerdies sukimas), kurį palaiko geležies nikelio lydinio silpnas laidumas.Taigi absoliučiai teoriniai geležies ir nikelio lydinių tyrimai gali išaiškinti vieną iš dar neišspręstų problemų – Žemės magnetinio lauko kilimo problemą.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: