Naujos nemagnetinių medžiagų savybės

Penn state universiteto (JAV) tyrėjams pavyko parodyti, kad iš daugelio nemagnetinių medžiagų galima gauti kur kas daugiau naudos nei iki šiol. Šis atradimas yra svarbus, nes mokslininkai gavo svarbios informacijos apie šių medžiagų sandarą, o tai leidžia pagalvoti apie didesnį jų praktinį pritaikomumą, kurį nusako tokios medžiagų savybės, kaip elektrinis laidumas ar mechaninis atsparumas. Tyrėjų darbas bus išspausdintas „Physical Review Letters“ žurnale.

Nemagnetinės medžiagos gardelė, kurios taškinės grupės simetrija 4mm. SrTiO3 kristalą sudaro stroncis (mėlyni rutuliukai), titanas (raudoni rutuliukai) ir deguonis (geltoni rutuliukai). Pilka spalva žymi deguonies sudaromas oktaedrines struktūras, kurių pasisukimo kryptis nurodyta žaliomis rodyklėmis.

Pasak Penn state universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesoriaus Venkatramano Gopalano (Venkatraman Gopalan), medžiagų savybės priklauso nuo jų sandaros. „Jeigu bevaikštinėdamas surasčiau uolienos gabaliuką su kvarco kristalu, nė nemirktelėjęs galėčiau pasakyti kokiomis savybėmis galėtų ir kokiomis negalėtų pasižymėti šis kristalas, – pasakoja tyrėjų grupės vadovas V. Gopalanas. – Vienintelis dalykas, kuriuo man užtektų remtis – simetrija – kristalo plokštumų išsidėstymu ir jų skaičiumi. Simetrija priklauso nuo kvarco atomų išsidėstymo. Tai nepaprastai galingas pasaulio pažinimo įrankis“.

Buvo manoma, kad nemagnetinės medžiagos, kurias tyrinėjo V. Gopalanas ir jo kolegos, pasižymi kažkuria iš 32 skirtingų kristalinių simetrijų (vadinamųjų taškinės grupės simetrijų). Tuo tarpu magnetinės medžiagos gali turėti 90 skirtingų taškinės grupės simetrijų, nes jas sudarančios dalelės pasižymi magnetiniais sukiniais, kuriuos galima įsivaizduoti kaip mažytes srovės vijas. „Judėjimas yra nepaprastai svarbus magnetizmui, – tęsia profesorius. – Magnetizmas susidaro tada, kai krūvininkai pradeda judėti arba suktis.“

Mokslininkai ilgą laiką buvo įsitikinę, jog dėl sukinio orientacijos pakitimo susidarančios papildomos simetrijos magnetinėms medžiagoms leidžia turėti daugiau įvairių savybių. Tačiau V. Gopalano vadovaujamai tyrėjų komandai pavyko parodyti, kad nemagnetinės medžiagos teoriškai gali turėti lygiai tiek pat savybių. Kai kurios nemagnetinės medžiagos turi atomų grupes, kurios dėl sukimosi šiek tiek deformuojasi. Toks menkas pasisukimas atitinka srovės viją ir to visiškai užtenka, kad medžiagos įgautų papildomų savybių, kuriomis, kaip buvo manoma anksčiau, galėjo pasižymėti tik magnetikai.

Magnetinės medžiagos gardelė, kurios taškinės grupės simetrija 4mm. Žalios rodyklės rodo magnetinių sukinių analogiją su paveiksliuko (a) srovės vijomis.

Tyrėjai atliko bandymus su stroncio titano oksidu. Kai medžiaga buvo atšaldyta, paaiškėjo, kad deguonies atomai, stengdamiesi užimti žemiausią energijos būseną, pasisuko. „Nors deguonies atomai aplink savo ašį neapsisuka, tačiau teorinis nagrinėjimas rodo, jog jie pasisuka, todėl įmanoma, kad šio medžiagos gali pasižymėti nežinomomis savybėmis“.

„Nors niekas nesitikėjo susieti magnetinių simetrijų su tokia nemagnetine medžiaga kaip stroncio titano oksidas, bet mūsų darbe kaip tik tai atsispindi, – tęsia V. Gopalanas. – Iš pradžių išnagrinėjome visa tai teoriškai – plačiai nemagnetinių medžiagų klasei pritaikėme simetrijos sistemas, kuriomis paprastai aprašomos magnetinės medžiagos. Tada atlikome eksperimentą ir paaiškėjo, kad nemagnetinė medžiaga pasižymi savybe, kurią, kaip manėme iki tol, galėjo turėti tik magnetikai. Manome, jog visa nemagnetinių medžiagų klasė gali turėti daugiau simetrijų ir daugiau savybių“.

Mokslininkų atradimas gali sukelti didelę tolimesnių tyrimų bangą. „Šios medžiagos pritaikomos daugelyje sričių, – teigia Penn state universiteto fizikos profesorius Piteris Šiferis (Peter Schiffer). – Bet šis atradimas, regis, jų skaičių ženkliai padidins“.