Современные проблемы физики. Вопросы к экзамену

1. Список «Современных проблем физики» по В.Л.Гинзбургу.Дать мотивировку актуальности 2-3 проблем на основании статей В.Л. Гинзбурга в УФН.

2. Наноматериалы и нанотехнологии. История вопроса. Основные понятия и определения.

3. Основные идеи доклада Р. Ф. Фейнмана «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики».

4. Классификация магнетиков. Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Антиферромагнетики и ферримагнетики.

5. Особенности микроструктуры и магнетизм. Магнитные свойства и микромагнитная структура поликристалла с малым размером зерен. Системы с малоразмерными частицами как магнитожесткие и магнитомягкие материалы.

6. Магнитные свойства ансамбля малоразмерных зерен. Теория Герцера. Понятие обменной длины.

7. Модель хаотической анизотропии Альбена. Усредненная константа магнитной анизотропии ансамбля хаотически ориентированных зерен. Обменная длина в модели хаотической анизотропии. Коэрцитивная сила и магнитная проницаемость в модели хаотической анизотропии.

8. Магнитные многослойные системы. Новые свойства, возникающие в магнитных многослойных системах: обменное смещение, антиферромагнитная связь и гигантское магнетосопротивление.

9. Обменное смещение. Механизм обменного смещения. Практические применения эффекта обменного смещения (Обменно-связанные магнитомягкие подслои для сред хранения информации и др.).

10. Антиферромагнитная связь в многослойных структурах типа ФМ/НМ/ФМ. Эффект гигантского магнитного сопротивления (ГМС). Физическая природа возникновения эффекта ГМС. Практические применения ГМС.

11. Структуры с обменным смещением. Спиновый затвор (диод).

12. Углеродные наноструктуры. Фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Возможные применения углеродных наноструктур. Магнетизм в углеродных наноструктурах.

13. Высокотемпературная сверхпроводимость. Основы теории сверхпроводимости. Применения НТСП и ВТСП материалов.

14. Перспективы современной энергетики. Возможные экологически чистые способы получения энергии.

15. Теория суперструн как наиболее удачный вариант теории всего. Современное состояние вопроса.

 

 

1Список «Современных проблем физики» по В.Л.Гинзбургу.Дать мотивировку актуальности 2-3 проблем на основании статей В.Л. Гинзбурга в УФН  

 

1. Управляемый ядерный синтез.

2.    Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.

3.    Металлический водород. Другие экзотические вещества.

4.    Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).

5.    Некоторые вопросы физики твёрдого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл – диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).

6.    Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.

7.    Физика поверхности.

8.    Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.

9.    Фуллерены.

10.  Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.

11.  Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.

12.  Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры.

13.  Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.

14.  Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика.

15.  Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W± и Z0 бозоны. Лептоны.

16.  Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.

17.  Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.

18.  Несохранение СР-инвариантности.

19.  Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.

20.  Струны. М-теория.

21.  Экспериментальная проверка общей теории относительности.

22.  Гравитационные волны, их детектирование.

23.  Космологическая проблема. Инфляция. Λ-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.

24.  Нейтронные звёзды и пульсары. Сверхновые звёзды.

25.  Чёрные дыры. Космические струны.

26.  Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

27.  Проблема тёмной материи (скрытой массы) и её детектирования.

28.  Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.

29.  Гамма-всплески. Гиперновые.

30.  Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции. *

 

Теперь о высокотемпературной и комнатнотемпературной сверхпроводи-

мости (кратко ВТСП и КТСП, проблема 2). Человеку, далекому от физики твер-

дого тела, может показаться, что проблему ВТСП пора из «списка» выбросить.

В 1970 г. [1] ВТСП еще созданы не были, их получение было мечтой, насчет ко-

торой некоторые ехидничали. Но ведь в 1986-1987 гг. такие материалы созданы,

пусть они по инерции фигурируют в [2], но не пора ли перевести их в категорию

огромного числа других веществ, изучаемых физиками и химиками? На деле это

совершенно не так. Достаточно сказать, что механизм сверхпроводимости в

купратах (наивысшая температура Тс = 135 К достигнута для HgBa2Ca2Cu3O8+x

без давления; под довольно большим давлением для этого купрата уже Тс ≈ 164

К) остается неясным [15–17]. Нет сомнений, у меня во всяком случае, что очень

существенную роль играет электронно–фононное взаимодействие с сильной

связью, но этого мало. Нужно еще «что-то», быть может, какое-то экситонное

или спиновое взаимодействие. В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные

усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около

50 тыс. публикаций).

Но главный вопрос в этой области, конечно, тесно связанный с предыду-

щим, это возможность создания КТСП. Ничему такая возможность не противо-

речит [15], но и быть уверенным в успехе нельзя. Положение здесь вполне ана-

логично имевшему место до 1986–1987 гг. в отношении ВТСП.

 

Металлический водород (проблема 3) еще не создан даже под давлением

около 3 млн атмосфер (речь идет о низкой температуре). Однако исследование

молекулярного водорода под большим давлением выявило у этого вещества це-

лый ряд неожиданных и интересных особенностей [18]. Далее, при сжатии

ударными волнами и температуре около 3000 К обнаружен, по-видимому, пере-

ход в металлическую (т.е. хорошо проводящую) жидкую фазу.

При высоком давлении обнаружены также своеобразные особенности у во-

ды (точнее, у Н20) и ряда других веществ [18]. Помимо металлического водоро-

да к числу «экзотических» веществ можно отнести фуллерены. Совсем недавно,

кроме «обычного» фуллерена C60, начал исследоваться фуллерен С36, быть мо-

жет, обладающий при допировании очень высокой температурой сверхпрово-

дящего перехода [19]. Примеры экзотических веществ можно умножить.

 

2Наноматериалы и нанотехнологии. История вопроса. Основные понятия и определения

 

Основные понятия и определения.

1.1. История развития нанотехнологий. Основные определения: наносистема, наноматериалы, нанотехнология, нанодиагностика, наносистемотехника, нанонаука, нанотехника, наноинженерия.

Прародителем нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита Абдерского. 2400 лет назад он впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Главным достижением философии Демокрита считается развитие им учения о неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей (атомистический материализм). Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. Само же движение – свойство, естественно присущее атомам. Тела – это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Атомы не могут соприкасаться, поскольку все, что не имеет внутри себя пустоты, является неделимым, то есть единым атомом. Следовательно, между двумя атомами всегда есть хотя бы маленькие промежутки пустоты, так что даже в обычных телах есть пустота. Отсюда следует также, что при сближении атомов на очень маленькие расстояния между ними начинают действовать силы отталкивания. Вместе с тем, между атомами возможно и взаимное притяжение по принципу «подобное притягивается подобным». Различные качества тел полностью определяются свойствами атомов и их комбинаций и взаимодействием атомов с нашими органами чувств.

 

В 1905г. швейцарский физик Альберт Энштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. Энштейн предложил исследование «Новое определение размеров молекул». Рассуждая о связи вязкости жидкости с размерами растворенных молекул сахара и рассматривая их совокупность, ученый вывел математическое выражение, определяющее скорость диффузии. Сопоставив коэффициент диффузии с вязкостью раствора, ученый определил размеры молекул сахара.

 

В 1931г. немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. Ими был предложен принцип работы Растрового Электронного Микроскопа (РЭМ), заключающийся в сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и анализе отраженных от поверхности частиц и возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом рентгеновского излучения. Анализ частиц позволял получать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллической структуре приповерхностных слоев. Анализ рентгеновского излучения, возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом, давал возможность качественно и количественно охарактеризовать химический состав приповерхностных слоев.

 

 

В 1959г. американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Филлипс Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции «Там, внизу, еще очень много места», произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. В работе Фейнмана впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно, «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Лекция Фейнмана «была столь провидческой, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология».

 

В 1966г. американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01ангстрем (1нм=10Å).

 

В 1968г. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании «Bell», разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

 

В 1974г. японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот термины «нанотехника» и «нанотехнология», предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона и способы их создания.

 

В 1981г. германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп – прибор, позволяющий осуществлять наблюдение, изучение и атомное манипулирование в нанообъектах. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

 

В 1985г. американские физики Роберт Керл, Хэрольд Кротои, Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

 

В 1986г. создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

 

В 1986г. нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины созидания: приход эры нанотехнологии», в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться. Он предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологий. Воображаемые устройства Дрекслера по своим размерам были значительно меньше, чем хорошо известные всем биологические клетки.

 

В 1989г. ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра компании «IBM» сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

 

В 1991г. японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании «NEC», использовал фуллерены для создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм.

 

В 1998г. голландский профессор Технического университета Сиз Деккер создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы. Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

 

В 2000г. Администрация США объявила «Национальную нанотехнологическую инициативу» (NationalNanotechnologyInitiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002г. сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год «Инициатива» запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.

 

В 2000г. немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100нм. Проект финансировала компания «Volkswagen».

 

В 2001г. Сиз Деккер соединил углеродную нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

 

В 2003г. профессор Фенг Лью из Университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

 

В 2004г. Администрация США поддержала «Национальную наномедицинскую инициативу» как часть NationalNanotechnologyInitiative. В России впервые заявили о развитии нанотехнологий как приоритетной области исследований в рамках «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 г.».

 

В 2004 – 2006гг. Российский исследователь и изобретатель Виктор Иванович Петрик с помощью разработанного им же газофазного метода очистки металлов и разделения изотопов получил наноструктуры ряда металлов: платины, железа, никеля и других.

 

В 2008г. в России законодательно утверждена «Концепция национальной системы мониторинга исследований и разработок в сфере нанотехнологий».

 

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.

 

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться еще примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров возрастут квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.

 

В основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании.

 

Обратимся к важнейшему фактору – геометрическому размеру и приставке «нано», входящей в ряд основных, наиболее часто используемых в официальных документах, понятий: нанотехнология, наноматериалы, наносистемы.

 

Первоначально обратим внимание на исходные смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов:

 

микро – (от греч. mikros – малый);

 

нано – (от греч. nannos – карлик).

 

Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не присущих макро- и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм. Однако вполне очевидно, что некоторый характеристический размер, идентифицирующий изучаемый объект по геометрическому параметру (толщина пленки, диаметр кластера или нанотрубки), должен рассматриваться не просто как абсолютная величина, а в отношении к определенным фундаментальным параметрам материалов, имеющим аналогичную метрическую размерность (так называемый размерный эффект). Размерный эффект – зависимость свойств тела от его размера. Этот эффект возникает, если протяженность тела, по крайней мере в одном измерении, становится сравнимой с некоторой критической величиной lk. Для классических размерных эффектов lk – классическая величина, например, диффузионная длина, длина свободного пробега электронов и т.д. Особенно сложно определить границы геометрического фактора применительно к биоорганическим объектам, обладающим многообразием связей и конформаций. Поэтому приставка «нано» скорее особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто характеристика протяженности базового структурного элемента.

 

Если Вы пользуетесь Интернетом, то можете найти, по меньшей мере, несколько десятков определений нанотехнологии. Вот определение, взятое с сайта «РОСНАНОТЕХ»:

 

Нанотехнологии – совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1–100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

 

Вот еще одно определение, данное Нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым в журнале «Микросистемная техника» №8, 2003, стр.3-13:

 

 

Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

 

Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

 

Нанодиагностика – совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

 

Наносистемотехника – совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.

 

Нанонаука – система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов.

 

 

1. 3Основные идеи доклада Р. Ф. Фейнмана «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики».

1Чудеса биологических систем

2Миниатюризация компьютеров

3Миниатюризация методами напыления

4Проблемы смазки

5Сотни крошечных манипуляторов

6Атомная архитектура

РИЧАРД ФИЛЛИПС ФЕЙНМАН — (1918–1988) — знаменитый американский физик-теоретик, один из создателейквантовой электродинамики (Нобелевская премия 1965 г.)В предлагаемой читателям лекции, прочитанной в Калифорнийском технологическом институте на Рождествен-

ском обеде Американского физического общества в канун 1960 г., обсуждаются возможности научно-техническогонаправления, которое в наши дни получило название нанотехнологии. щества, изменять собственную форму и выполнять другие сложные операции. Представьте себе возможности,которые открываютсяв случае изготовлениямикроскопических объектов, способных выполнять такие действия!В сущности, производство таких сверхмалых объектов может быть коммерчески интересным. Например,можно напомнить о некоторых проблемах, связанных

с вычислительной техникой. Компьютеры должны хранить огромное количество информации. Очень важноиметь возможность «стирать» предыдущую информацию и записывать на ее место новую, причем всегдажалко уничтожать материал, на котором осуществляется

запись. Однако если длязаписи требуетсялишь ничтожный объем легко воспроизводимого вещества, то материал можно не экономить, а просто выбрасывать послесчитыванияинформации.Миниатюризация компьютеровСуществующие вычислительные машины слишкомгромоздки, и мне хочетсяобсудить (не вдаваясь в детали практической реализации предлагаемых идей) возможность существенного измененияих размера. Если,

* Перевод с английского канд. физ.-мат. наук А. В. Хачоянанапример, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, ктосвязан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыти рассчитывать собственные действия, находить новые

вычислительные методы и т. п. Рост числа элементовприведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ.Рассмотрим, например, следующую проблему. Любой из нас без труда воспринимает изображение илилицо другого человека, однако пока не удалось создать

компьютер, который был бы способен достаточно быстро воспринимать изображение и распознавать на немчеловеческие лица. Разумеется, компьютеры не могутидентифицировать эти лица (пока они способны лишьсопоставить два абсолютно одинаковых изображения).

Между тем человек без каких-либо проблем узнает знакомое лицо через много лет, на разных расстояниях илипри разном освещении, т. е. микрокомпьютер, заложенный в наш мозг природой, легко справляется с задачей,совершенно непосильной длясамых мощных современ

ных вычислительных систем. Причина этого в том, что

число логических элементов внутри нашей маленькой

черепной коробки (ее можно рассматривать как выпол-

ненный из кости корпус этого микрокомпьютера) зна-

чительно превышает число элементов в самых высоко-

классных современных компьютерах, имеющих внуши-

тельные размеры. Дело не в том, что существующие ком-

пьютеры слишком велики, а в том, что элементы мозга

имеют микроскопические размеры, и это наводит меня

на мысль о создании субмикроскопических элементов.

Миниатюризация методами напыления

Естественно, нужно задуматьсяо методах создания

таких устройств. Как можно изготовлять такие сверх-

малые элементы и какие производственные процессы

должны для этого применяться? При мысли об исполь-

зовании заданным образом расположенных атомов вспо-

минаютсявозможности применениятонких напыленных

Рос.хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №5

слоев из атомов проводников и изоляторов. Действитель-

но, уже сейчас мы умеем формировать напылением нуж-

ные конфигурации, содержащие все требуемые крошеч-

ные элементы электрических схем (катушки, конденса-

торы, транзисторы и т. п.) в необходимом порядке.

Однако хочетсяпредложить, хотябы в шутку, и со-

всем другие методы. Почему бы, например, не произво-

дить крошечные компьютеры теми же методами, какими

мы производим большие? Почему бы не научитьсяобра-

батывать микроскопические объекты точно так же, как

обрабатываютсябольшие изделия, т. е. научитьсяштам-

повать или отливать их, сверлить в них отверстия, резать,

паять и т. п.?.

Давайте всерьез задумаемсянад тем, что мешает

создать сверхмалую копию какого-либо механическо-

го устройства, например обычного автомобиля? Прежде

всего должны возникнуть проблемы с точностью обра-

ботки деталей. Предположим, что автомобиль изготовля-

етсяс точностью 10−5 м (при меньшей точности порш-

ни будут, например, застревать в цилиндрах двигателя

и работа машины будет нарушена). При микроскопиче-

ской обработке следует позаботитьсяо размерах порядка

атомных. Копияавтомобиля, уменьшенного в 4000 раз,

будет иметь в длину около 1 мм, так что указаннаявы-

ше стандартнаяточность обработки деталей двигателя

(10−5 м) должна в крошечной модели соответствовать

размерам порядка 10 атомов (разумеется, если несколько

снизить требованияк эксплуатационным характеристи-

кам этого микроавтомобиля, то можно дополнительно

уменьшить его размеры).

Обсуждение проблем, связанных с созданием столь

малых механизмов, ставит перед нами ряд интересных

физических проблем. Уменьшение размеров ведет, есте-

ственно, к соответствующему уменьшению массы и пло-

щадей контактов, так что некоторые параметры меха-

низмов (например, масса и силы инерции) теряют свое

значение. Другими словами, мы можем просто считать,

что прочность используемых материалов значительно

возросла. Более того, механические напряжения и свя-

занные с ними деформации (возникающие, например,

во вращающихсядеталях) должны значительно умень-

шиться(они останутсянеизменными лишь в том случае,

если скорость вращениявозрастет во столько же раз,

во сколько уменьшатсяразмеры). В то же времяследу-

ет помнить и о зернистой структуре металлов, из-за че-

го на микроуровне могут возникнуть серьезные пробле-

мы, обусловленные микронеоднородностью материалов.

Поэтому, возможно, сверхмалые механизмы следовало

бы изготовлять из аморфных веществ, обладающих вы-

сокооднородной структурой (типа пластиков или стекол).

Некоторые проблемы могут возникнуть и при изго-

товлении деталей электрооборудования(например, мед-

ных проводов или магнитных устройств), посколь-

ку магнитные свойства объектов существенно зависят

от их размеров (это связанно с так называемой домен-

ной структурой магнитных материалов). Поэтому нам

придетсязадуматьсяо возможностях созданияи исполь-

зованиямагнитов, состоящих не из миллионов доменов

(как принято считать в физике), а из одного единствен-

ного домена. Разумеется, схему электропитания автомо-

билянельзяпросто уменьшить в несколько тысяч раз,

а следует существенно изменить. Но яне считаю, что

при этом могут возникнуть какие-то принципиальные

осложнения.

Проблемы смазки

Гораздо более важные проблемы должны возникнуть

при обеспечении смазки таких сверхмалых механизмов.

Дело в том, что вязкость смазочных масел растет по ме-

ре уменьшенияразмера зазоров (и при соответствующем

увеличении скорости). Если не стремитьсяк очень вы-

соким скоростям и применять вместо масла керосин или

другие жидкости, то ситуацияможет оказатьсяне безна-

дежной. Однако яхочу обратить внимание на то, что ре-

ально можно обойтись, вероятно, вообще без смазки! Су-

ществует масса других возможностей. Например, микро-

скопические подшипники смогут работать и в сухом со-

стоянии, поскольку выделяющееся в таких устройствах

тепло может рассеиватьсянастолько легко и быстро, что

подшипники не будут нагреваться.

Однако мгновенный отвод тепла в микрообъемах

не позволит нагреть до достаточной температуры бензин

в камере сгорания, вследствие чего в микроавтомобиль-

чиках нельзяиспользовать привычные двигатели внут-

реннего сгорания. Придется поискать какие-то другие

химические реакции, позволяющие получать энергию

при низких температурах (возможно, наилучшим реше-

нием станет просто подача электроэнергии от внешнего

источника).

Сотни крошечных манипуляторов

Я думаю о создании системы с электрическим управ-

лением, в которой используютсяизготовленные обыч-

ным способом «обслуживающие роботы» в виде умень-

шенных в четыре раза копий «рук» оператора. Та-

кие микромеханизмы смогут легко выполнять опера-

ции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных

роботах, снабженных серводвигателями и маленькими

«руками», которые могут закручивать столь же малень-

кие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия

и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все рабо-

ты в масштабе 1:4. Дляэтого, конечно, сначала сле-

дует изготовить необходимые механизмы, инструменты

и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной вели-

чины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение

всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем эта-

пе эти устройства будут оборудованы серводвигателями

(с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены

к обычной системе электрического управления. После

этого можно будет пользоватьсяуменьшенными в 16 раз

руками-манипуляторами! Сфера применения таких мик-

ророботов, а также микромашин может быть довольно

широкой — от хирургических операций до транспорти-

рованияи переработки радиоактивных материалов.

Я надеюсь, что принцип предлагаемой програм-

мы, а также связанные с ней неожиданные проблемы

и блестящие возможности понятны. Более того, мож-

но задуматьсяо возможности дальнейшего существен-

ного уменьшениямасштабов, что, естественно, потребу-

ет дальнейших конструкционных изменений и модифи-

каций (кстати, на определенном этапе, возможно, при-

детсяотказатьсяот «рук» привычной формы), но позво-

лит изготовить новые, значительно более совершенные

устройства описанного типа.

Р. Ф. Фейнман

Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать

сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеет-

сяограничений, связанных с размещением станков или

их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного

меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий

объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следо-

вательно, и масса используемых дляизготовлениямате-

риалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы

обычного станка нормальных размеров.

Понятно, что это сразу снимает и проблему стои-

мости материалов. В принципе, можно было бы орга-

низовать миллионы одинаковых миниатюрных заводи-

ков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили

бы отверстия, штамповали детали и т. п.

По мере уменьшенияразмеров мы будем постоянно

сталкиватьсяс очень необычными физическими явлени-

ями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зави-

сит от масштабных факторов. Кроме того, существует

еще и проблема «слипания» материалов под действием

сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые

силы Ван-дер-Ваальса), котораяможет приводить к эф-

фектам, необычным длямакроскопических масштабов.

Например, гайка не будет отделяться от болта после от-

кручивания, а в некоторых случаях будет плотно «при-

клеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько

физических проблем такого типа, о которых следует пом-

нить при проектировании и создании микроскопических

механизмов.

Атомная архитектура

И наконец, рискну предложить еще одну идею (рас-

считанную, возможно, лишь на очень далекое будущее),

котораямне представляетсяисключительно интересной.

Речь идет о возможности располагать атомы в требу-

емом порядке — именно атомы, самые мелкие строи-

тельные детали нашего мира! Что произойдет, когда мы

научимсяреально выстраивать или укладывать атомы

поштучно в заданной последовательности (разумеется,

при этом будут сохраняться какие-то ограничения, на-

пример укладка атомов в структуры, соответствующие

нестабильным химическим соединениям).

С древних времен человечество старательно добыва-

ет из недр Земли минералы, перерабатывает их в огром-

ных количествах и изготовляет из них различные предме-

ты. Мы заботимсяо химической чистоте веществ, о со-

ставе и уровне примесей и т. д., однако при этом мы все-

гда работаем с тем набором и распределением атомов,

которые предоставляет нам природа. Например, у нас

нет возможности изучать или использовать вещество с

«шахматной» структурой, где атомы примесей аккурат-

но располагаютсяна расстоянии 100 нм друг от друга.

Мы даже не очень задумываемсянад тем, что можно

сделать со слоистой структурой, состоящей из правиль-

но уложенных слоев атомов. Какими свойствами, вообще

говоря, могут обладать материалы, построенные из ато-

мов, которые мы сами будем располагать в заданном по-

рядке? Это очень интересный вопрос с точки зрения чи-

стой теории, и яуверен (хотя, конечно, на эту тему нель-

зяпока сказать ничего определенного), что, научившись

регулировать и контролировать структуры на атомном

уровне, мы получим материалы с совершенно неожидан-

ными свойствами и обнаружим совершенно необычные

эффекты.

Предположим, например, что мы создали кусочек ве-

щества, внутри которого сформированы маленькие элек-

трические цепи из конденсаторов и катушек индуктивно-

сти (или их твердотельные аналоги). Такие цепи, с разме-

ром от 100 до 1000 нм, могут быть снабжены антеннами

и, будучи взаимосвязаны, могут покрывать довольно зна-

чительную площадь. Такие наборы сетей и антенн обыч-

ного размера уже в настоящее время широко использу-

ютсядляизлучениярадиоволн, поэтому существует ве-

роятность, что аналогичный набор «атомарных» антенн

будет излучать световые волны или даже точно направ-

ленные пучки света.

Применительно к сверхмалым электрическим цепям

наиболее важными представляются проблемы, связан-

ные с электрическим сопротивлением. Дело в том, что

с уменьшением размеров цепи ее собственнаячастота

возрастает (поскольку длины волн собственных коле-

баний уменьшаются), однако толщина поверхностного

слоя(так называемого скин-слоя) при этом уменьшает-

сяпропорционально лишь квадратному корню из харак-

терного размера, вследствие чего при расчете электриче-

ского сопротивлениядолжны возникать дополнительные

сложности. Возможно, впрочем, что эти проблемы удаст-

сярешить, используякакие-либо специальные техниче-

ские приемы (сверхпроводимость при достаточно низкой

частоте и т. п.).

При переходе к изучению самых маленьких объек-

тов предлагаемого типа (например, электрических цепей,

составленных из нескольких атомов) мы сталкиваемся

со многими разнообразными явлениями, создающими

новые возможности. Поведение отдельных атомов под-

чиняется законам квантовой механики и не имеет ана-

логов в макроскопическом масштабе, поэтому «внизу»

мы будем постоянно наблюдать новые закономерности

и эффекты, предполагающие новые варианты использо-

вания. Например, очень возможно, что в мире атомов,

вместо привычных электрических цепей, мы научимся

работать с квантовыми уровнями энергии, с взаимодей-

ствиями квантовых спинов и т. п.

Известные нам принципы физики не запрещают со-

здавать объекты «атом за атомом». Манипуляция ато-

мами, в принципе, вполне реальна и не нарушает ни-

каких законов природы. Практические же трудности

ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами

являемся слишком крупными и громоздкими объекта-

ми, вследствие чего нам сложно осуществлять такие

манипуляции.

И, наконец, размышляя в этом направлении, мы до-

ходим до проблем химического синтеза. Сейчас химики

используют длясинтеза сложные и разнообразные прие-

мы. Как только физики создадут устройства, способные

оперировать отдельными атомами, многие методы тра-

диционного химического синтеза могут быть заменены

приемами «атомной сборки». Мне представляется осо-

бенно интересным то, что физики, в принципе, действи-

тельно могут научитьсясинтезировать любое вещество,

исходяиз записанной химической формулы. Химики бу-

дут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать»

атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники мани-

пуляции на атомарном уровне (а я убежден, что этого нам

просто не избежать) позволит решить многие проблемы

химии и биологии...

 

4 Классификация магнетиков. Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Антиферромагнетики и ферримагнетики

 

Магнетики = диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.

Классификация магнитных материалов и требования к ним
Магнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов mi - атомов данного вещества.

Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.
Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.
Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным.

Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.
Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.
Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:
а) диамагнитные (диамагнетики),
б) парамагнитные (парамагнетики),
в) ферромагнитные (ферромагнетики),
г) антиферромагнитные (антиферромагнетики),
д) ферримагнитные (ферримагнетики),
е) метамагнитные (метамагнетики).

А) Диамагнетики
Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (~10-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+, Al3+, O2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χД = - (1/4) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

Таблица 6.1 - Диамагнитная восприимчивость ряда материалов

Б) Парамагнетики
Парамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН «kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10-7 – 10-4.

Парамагнетик – магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряженности поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существова­ния вещества в парамагнитном состоянии.

Парамагнетик содержит, по крайней мере, один из перечисленных ниже типов носителей парамагнетизма.

а) Атомы, молекулы или ионы с некомпенсированными магнитными моментами в основном или возбуждённом состояниях с энергией возбуждения Ei <<kТ. Парамагнетики этого типа обладают ориентацией ланжевеновским парамагне­тизмом, зависящим от температуры Т по Кюри закону или Кюри – Вейса закону, в них возможно магнитное упоря­дочение. [Похожий по проявлениям магнетизм неоднородных систем малых ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц (кластеров) в жидкостях или твердых матрицах выделен в особый вид – суперпарамагнетизм].

Этот тип носителей присутствует в парах металлов нечётной валентности (Na, Тl); в газе молекул О2 и NO; в некоторых органических молекулах со свободными радикалами; в солях, окислах и др. диэлектрических соединениях 3d-, 4f-, и 5f-элементов; в большинстве редкоземельных металлов.

б) Те же частицы, имеющие орбитальный магнитный момент в возбуждённом состоянии с энергией возбуждения Ei << kТ. Для таких парамагнетиков характерен не зависящий от температуры поляризационный парамагнетизм.

Этот тип носителей парамагнетизма проявляется в некоторых соединениях d- и f-элементов (соли Sm и Eu и др.).

в) Коллективизированные электроны в частично запол­ненных энергетических зонах. Им присущ сравнительно слабо зависящий от температуры спиновый Паули-парамагнетизм, как правило, усиленный межэлектронными взаимодействиями. В d-зонах спиновый парамагнетизм сопровождается заметным ванфлековским парамагнетизмом.

Подобный тип носителей преобладает в щелочных и щёлочноземельных металлах, d-металлах и их интерметаллических соединениях, актиноидах, а также в хорошо проводящих ион-радикальных органических солях

P/S материал из wiki
Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы u > ~ 1.
Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1845 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные.
Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О2), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl3) и другие.
Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

В) Ферромагнетики

Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Свойства ферромагнетиков
1. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
2. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
3. Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
4. Ферромагнетики притягиваются магнитом.

нтиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, как у пара- и фер­ромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми магнитными мо­ментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные мо­менты атомов под действием обменного взаимодействия (у них обменный интеграл отрицательный; см. гл. 14.2.1) приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипарал­лельную (противоположную) (см. рис. 14.1, в) и полностью компен­сируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не обладают маг­нитным моментом, и их магнитная восприимчивость km близка по величине к km парамагнетиков. Для антиферромагнетиков, как и для ферромагнетиков, существует определенная температура, назы­ваемая точкой Нееля Тн, при (и выше) которой антиферромагнит­ный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное со­стояние.

К антиферромагнетикам относятся: Mn, Cr, CuO, NiO, FeO, Cr2O3, NiCr, MnO, Mn2O3, MnS, VO2 и довольно большое количество других соединений.

Ферримагнетики

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипарал­лельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) раз­личных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направлен­ные антипараллельно (рис. 14.1, г). В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.

Таким образом, Ферримагнетики можно рассматривать как не­скомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материа­лы получили от ферритов — первых нескомпенсированных антифер­ромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образует­ся при температурах ниже точки Кюри. К. ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В от­личие от ферромагнетиков они имеют меньшую величину индук­ции насыщения, более сложную температурную зависимость индук­ции и в ряде случаев высокое значение удельного сопротивления (ρ= 10^─3 —10¹⁰ Ом•м).

 

5Особенности микроструктуры и магнетизм. Магнитные свойства и микромагнитная структура поликристалла с малым размером зерен. Системы с малоразмерными частицами как магнитожесткие и магнитомягкие материалы.

Перемагничивание ферромагнитного материала связано с расходом энергии на этот процесс. Как уже указывалось, площадь петли гистерезиса характеризует энергию, выделяемую в единице объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания. В зависимости от величины этих потерь и соответственно формы петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые характеризуются относительно узкой петлей гистерезиса и круто поднимающейся основной кривой намагничивания; вторые обладают большой площадью гистерезисной петли и полого поднимающейся основной кривой намагничивания.

Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты) определяют малые потери в сердечнике и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных потоках (трансформаторы, электродвигатели и др.). Магнитотвердые материалы (углеродистые стали, вольфрамовые сплавы и др.) используются для изготовления постоянных магнитов.

До сих пор мы рассматривали микромагнитные структуры кристаллических систем, подразумевая кристаллы, в основном, большого размера, больше чем размер домена. В главе VIII мы видели, что частицы малого размера могут быть однодоменными. При этом подразумевалось, что частицы являются магнитно- изолированными. Каковы будут магнитные свойства и микромагнитная структура поликристалла с малым размером зерна? Аморфного магнетика? В главе V мы отмечали, что эффект Баркгаузена и коэрцитивная сила ферромагнетика могут быть связаны с наличием дефектов, препятствующих свободному движению доменных границ. Если это так, то не будут ли границы зерен в поликристалле, и, тем более, в нанокристалле при их очень высокой плотности еще больше тормозить движение доменных стенок, резко повышая коэрцитивную силу?

Действительно, исторически системы с малоразмерными частицами обсуждались в основном как магнитожесткие материалы (см.,например, [1]). Применение нанокристаллических микроструктур на базе сплавов NdFeB, PrFeB, SmCo и т.д. для жестких магнитов исследуется и в настоящее время (например, [2-4]). Соответственно, магнитомягкие свойства - низкую коэрцитивность и высокую магнитную проницаемостью, старались получить в материалах с размером зерна как можно большим (см, например, [5]).

Ситуация начала изменяться с развитием исследований аморфных магнитомягких материалов [6] и особенно после того, как было обнаружено, что нанокристаллические материалы с ультрамалым размером зерна обладают превосходными магнитомягкими свойствами [7,8] в сочетании с высокой намагниченностью насыщения порядка M_s ≈1.2 Тл. Исследования показали [8,9], что, действительно, коэрцитивность растет с уменьшением размера зерна, но только до D~100 нм. При дальнейшем уменьшении D - коэрцитивность падает, в хороших магнитомягких материалах, называемых ультрамагнитомягкими, ниже 1 Э при размере зерна меньше 10 нм, рис. 9.1а. Соответственно, магнитная проницаемость растет в нанокристаллических ультрамагнитомягких ферромагнетиках, достигая 10⁵ при D≈1нм, рис. 9.1б. Для получения ультрамагнитомягких материалов используются различные методы осаждения тонких пленок, а также методы резкого охлаждения жидкого расплава, например, на холодном вращающемся диске.

 

Теория Герцера

Согласно теории Герцера, магнитные свойства ансамбля малоразмерных зерен зависят от соотношения энергии локальной магнитной анизотропии и ферромагнитной обменной энергии. В крупнозернистых образцах вектор намагниченности ориентируется вдоль оси легкого намагничения (ОНЛ), т.е. намагниченность определяется магнито-кристаллической анизотропией К₁ кристаллитов. С уменьшением размеров зерен относительный вклад обменного взаимодействия становится все выше, возникает скоррелированность в ориентации магнитных моментов зерен и, в конечном счете, они ориентируются параллельно друг другу.

 

 

Где находится грань между размерами зерен с хаотической и строго параллельной ориентацией магнитных моментов? Этот критический размер зерна определяется расстоянием действия обменных сил (в принятой терминологии - обменная длина - exchange length). О величине обменной длины можно судить по толщине доменной границы. Действительно, толщина доменной границы, δ, определяется балансом между анизотропией и обменной энергией. Рассмотрение в главе VI приводит к оценке (6.21), δ = p(A/K₁)^1/2 = pd₀, где A = JS²/a - плотность обменной энергии. Величина d₀ = δ/π принята за обменную длину. Для Fe, J = 2.16 10^-21 Дж, S =1, а = 2.86 10^-10м, К₁ = 4.6 10⁴ Дж/м³, имеем А = 7.5 10^-12 Дж/м и δ = 1.28 10^{-8 м = 12.8 нм и δ}₀ = 4.08 нм.

 

Модель хаотической анизотропии.

(Random Anisotropy Model).

Эта модель была предложена Альбеном и др [10]. Идея схематично прорисована на рис. 9.2. Имеется ансамбль ферромагнитно связанных зерен размера D с магнитокристаллической хаотично ориентированной анизотропией К₁. Эффективная анизотропия, определяющая процесс намагничения, образуется усреднением по N = (δ₀/D)³ зернам в объеме V = (δ₀)³, определяемом обменной длиной. Для конечного числа зерен N, всегда будет некоторое направление, которое намагничивается легче других и которое определяется статистическими флуктуациями. Как следствие, результирующая плотность энергии анизотропии <K> определяется средней амплитудой флуктуаций энергии анизотропии N зерен, т.е.

<K>=K₁/√N=K₁(D/δ₀)^3/2. (9.1)

В свою очередь обменная длина δ₀ будет определяться в этих самосогласованных условиях уже средней анизотропией <K>, а не K₁, т.е.

δ₀ = (А/<K>)^1/2. (9.2)

Ренормализация δ₀ есть следствие конкуренции анизотропии и обменной энергии: по мере того, как магнитокристаллическая анизотропия подавляется обменной энергией, расстояние, на котором обменная энергия доминирует, возрастает и локальная анизотропия усредняется более эффективно. Эта тенденция приводит к увеличению обменной длины до характерных значений в 30-40 нм.

Комбинация (9.1) и (9.2), в конечном счете, дает зависимость <K> ~ D⁶, т.е.

<K> = (K₁⁴/ A³)D⁶, (9.3)

которая выполняется при размерах зерен D< δ₀. Поскольку использовались лишь статистические аргументы, данный вывод не зависит от того, является ли анизотропия одноосной или другого типа, скажем кубической.

Как будет видно из следующей главы коэрцитивная сила и магнитная проницаемость в кристаллах связаны с анизотропией выражениями

H_c = p_c (K₁/I_s), (9.4а)

μ = p_μ (I_s²/μ₀K₁), (9.4б)

где p_c и p_μ коэффициенты, зависящие от симметрии решетки кристалла и механизма намагничения (смещения доменных стенок или вращения намагниченности). В условиях мелкозернистой структуры с подавлением магнитокристаллической анизотропии выражения (9.4), с учетом (9.3) преобразуются в следующий вид:

H_c = p_c (<K>/I_s) ≈ p_c (K₁⁴D⁶)/(I_sA³), (9.5а)

μ = p_μ (I_s²/μ₀ <K>) ≈ p_μ (I_s² A³)/(μ₀ K₁⁴D⁶), (9.5б)

Таким образом, высокая чувствительность эффективной анизотропии к размеру зерна (9.3), передается параметрам магнитомягких свойств нанокристаллических материалов. Как видно из рис.9.1, экспериментальные данные как по H_c, так и по 1/μ, согласуются с зависимостью ~D⁶ до размеров зерна ≈ 40 нм. Подгонка зависимостей (9.5) с использованием параметров материала α-Fe-20 ат% Si к экспериментальным данным в этой области дает p_c = 0.13 и p_μ = 0.5. Эти параметры достаточно хорошо согласуются с параметрами для частиц с кубической решеткой, ориентированной хаотично: p_c = 0.64 и p_μ = 0.33 [11].

Если размеры зерна примерно совпадают с обменной длиной, то магнитные свойства будут определяться выражениями (9.4). Так для α-FeSi и p_c = 0.64, p_m = 0.33 для кубической структуры оценка дает H_c» 35 A/cm (≈0.5Э) и m» 70, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям в максимуме H_c и минимуме m.

Если же размер зерен превышает ширину доменной границы δ = pd₀ = p(A/K₁)^1/2 , то процесс намагн