13_magnets_2018_may06 (1182307), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Перечислим вкратце,какими экспериментальными методами можно пользоваться для определения этих свойств.Факт фазового перехода часто можно установить по рутинным измерениям теплоёмкости инамагниченности: в точке фазового перехода второго рода теплоёмкость часто демонстрируетособенность, а изменение магнитной структуры магнетика при возникновении илиизменении магнитного порядка отражается на зависимости намагниченности исследуемогообразца от магнитного поля или температуры. Для этих измерений в современныхлабораториях часто используются обсуждавшиеся в нашем курсе методы релаксационногоизмерения теплоёмкости и СКВИД-магнетометры.При наступлении какого-либо вида магнитного порядка в системе — то есть, если локальнаянамагниченность атомов выстраивается каким-то регулярным образом — изменяетсяпространственная периодичность кристалла.
Это приводит к тому, что, например, изменяетсястр. 6 из 4006.05.2018картина дифракции нейтронов на образце [2].Рисунок 1: Слева: схема возникновения антиферромагнитного порядка на квадратнойрешётке. Цветом выделена примитивная ячейка магнитной структуры. Справа: изменениекартины дифракции нейтронов на порошке антиферромагнетика MnO.
На основе рисункаиз работы [2].Изменение картины дифракционных пиков при магнитном рассеянии нейтронов позволяетвосстановить структуру расположения упорядоченных локальных магнитных моментов, ихвеличину. Применение методики неупругого рассеяния нейтронов (см. методическое пособие[3]) позволяет определить спектры элементарных возбуждений магнетика.Информацию о возбуждениях магнетика можно также получить методами комбинационногорассеяния света, магнитного резонанса. Информацию о локальных полях на магнитныхионах (фактически, о величине параметра порядка упорядоченной фазы) можно получитьметодами ЯМР, мессбауэровской спектроскопии.Наконец, есть богатые экспериментальные возможности изучать поведение магнитныхсистем при различных условиях: температурах от миликельвин до тысяч кельвин, высокихдавлениях, в сильных магнитных полях.«Шкала» магнитных полей современной экспериментальнойфизикиОтклик магнетиков а внешнее магнитное поле является часто очень информативным.Поэтому в применении к изучению магнетиков используется весь «арсенал» доступныхэкспериментаторам лабораторных магнитных полей.
Приведём здесь для информациихарактерные величины доступных в разных экспериментальных методиках магнитных полей.Напомним, что магнитное поле Земли составляет около 1 Гс (или 10−4 Тл ). Магнитноеполе в солнечном пятне составляет около 5 кГс. Для того, чтобы зеемановская энергияэлектрона в атоме стала порядка разности энергий между электронными уровнями энергии,необходимо поле порядка 108 Гс (в таком поле разрушится диктуемая правилами Хундаиерархия заполнения атомных термов). В некоторых типах нейтронных звёзд (магнетары)ожидается наличие магнитных полей до 10 14 Гс. Сравним эту «линейку» природныхмагнитных полей с возможностями, доступными современному экспериментатору.стр. 7 из 4006.05.2018Поля до 1.5...2 Тл в лабораториях можно получить при помощи водоохлаждаемогорезистивного магнита (рисунок 3).
Такой магнит потребляет мощность порядка 10 кВт ивесит около тонны. Такой магнит использует сердечник из материала с высокой магнитнойпроницаемостью, что позволяет легко усилить поле в зазоре между полюсами магнита.Максимальное поле такого магнита (около 2 Тл) ограничено насыщением материаласердечника: выигрыш в «усилении» поля пропадает, когда сердечник полностьюнамагничивается.Рисунок 3 Резистивный водоохлаждаемыймагнит на поле до 1.5 Тл в составе ЭПРспектрометра Bruker. С сайта bruker.comРисунок 2: Сверхпроводящий соленоид наполе 8Тл.
Фото автора.Более высокие поля получают при помощи сверхпроводящих соленоидов. Если задача нетребует высокой однородности поля или большого диаметра области, в которой полесоздаётся, то такой соленоид может быть довольно компактным. Преимуществомсверхпроводящего соленоида является отсутствие потерь, часто их используют вкороткозамкнутом режиме (после введения тока в соленоид соленоид закорачивается иподдерживает ток неограниченно долго). Однако так как технологичные металлическиесверхпроводники требуют температур жидкого гелия, такие соленоиды требуютспециального криогенного оборудования.Сверхпроводящие соленоиды изготавливают из сверхпроводников II рода с как можно болеевысоким вторым критическим полем и сильным пиннингом вихрей.
Такие сверхпроводникисохраняют нулевое сопротивление и в смешанном состоянии в полях H c1 < H < H c2 .Однако, второе критическое поле в металлических сверхпроводниках не превышаетпримерно 20 Тл, что накладывает фундаментальное ограничение сверху на доступные всверхпроводящих магнитах постоянные магнитные поля. Практически, соленоиды с неслишком высокими требованиями к однородности поля на поля до 10 Тл могут бытьизготовлены самостоятельно из коммерчески доступного сверхпроводящего провода(рисунок 2). Соленоиды на поле 12-14 Тл разной геометрии изготавливаются коммерчески.Рекордные сверхпроводящие соленоиды позволяют достичь поля 22 Тл. В широкораспространённых ЯМР томографах используются сверхпроводящие магниты, создающиестр. 8 из 4006.05.2018поле 3 Тл. Сверхпроводящие магниты разных типов активно используются в современныхускорителях частиц, включая Большой адронный коллайдер.Рисунок 4: Рекордный сверхпроводящий соленоид на 32 Тл (достигнутое на 2016 год поле 27Тл) в Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Талахаси (Флорида, США).Слева: схема криостата с композитным соленоидом.
Справа вверху: ВТСП катушка. Справавнизу: фрагмент ВТСП ленты. С сайта [4].Этот рекорд поля в сверхпроводящем соленоиде был существенно превышен вНациональной лаборатории высоких магнитных полей в Талахаси (Флорида, США) [4]. Тамзапущен проект комбинированного сверхпроводящего магнита на поле 32 Тл, на котором в2016 году было достигнуто промежуточное поле 27 Тл. Этот магнит (рисунок 4) состоит измагнита на 15 Тл из «обычных» сверхпроводящих сплавов NbTi и Nb3Sn, а в сердцевинемагнита находится дополнительный соленоид изготовленный из высокотемпературногосверхпроводника (ВТСП) YBa2Cu3O7-x .
ВТСП имеет большее критическое поле, поэтомувнутри ВТСП-катушки можно создать поле, превышающее второе критическое для«обычного» сверхпроводника. При этом вне катушки рассеянное поле мало (в пределедлинного соленоида оно вовсе отсутствует), что позволяет не разрушать сверхпроводимостьво внешних катушках. В сборе вся конструкция весит более 2 тонн.Высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние обуславливает высокиекритические поля, однако ВТСП не являются технологичными металлами — этостр. 9 из 4006.05.2018керамические материалы.
Для изготовления сверхпроводящего «провода» керамическоепокрытие наносят на металлическую ленту. Современные технологии позволяют получатьленту с непрерывным покрытием длиной до 10 км.Дальнейшее повышение поля при помощи сверхпроводящих соленоидов невозможно (вовсяком случае до появления новых материалов с существенно большими критическимиполями) и используются комбинированные магниты: сверхпроводящий соленоидкомбинируется с водоохлаждаемым резистивным соленоидом.
Эта технология позволяетполучать стационарные поля до примерно 40 Тл, однако потребляемая электрическаямощность в таком магните измеряется десятками мегаватт. Это специализированныеустановки, расположенные обычно в лабораториях высоких магнитных полей. Такиелаборатории являются часто международными научными центрами, лидирующиелаборатории расположены в Талахаси (Флорида, США) [5], Гренобле (Франция) [6], Осаке(Япония) [7].Рисунок 5 Получение импульсных магнитных полей в лаборатории высоких магнитныхполей Университета Осаки. Слева сверху: профиль импульса поля и вид конденсаторнойбатареи (запасенная энергия 2 МДж). Внизу: вид на катушку для получения высокогомагнитного поля. Справа вверху: импульс поля и зависимость от времени сопротивлениядвух сверхпроводящих соединений на основе железа (сопротивление возникает выше поляразрушения сверхпроводимости).Из статьи [8].Создание стационарных магнитных полей выше 40 Тл оказывается экономическинецелесообразным: потери энергии растут квадратично с полем.
Поля до примерно 100 Тлполучают импульсными методами: в катушку кратковременно вводят большой ток(например, разряжая батарею конденсаторов) (рисунок 5) [8].стр. 10 из 4006.05.2018Рекордные магнитные поля до 1000 Тл1 получают также импульсно в Сарове методомвзрывного сжатия проводящего контура [9]. Индукционные токи стремятся сохранить потокчерез контур Φ=B S =const , поэтому при уменьшении сечения контура индукция вконтуре резко возрастает. Для быстрого сжатия используется взрывчатое вещество, времяэксперимента ограничено временем распространения ударной волны до места расположенияобразца и окружающих его датчиков [10].
Отметим, что такое взрывное сжатие необходимоне только для того, чтобы при быстром сжатии сверхпроводящего контура можно былопренебречь потерями, но и для того, чтобы преодолеть давление магнитного поля: плотность2Hэнергии магнитного поляопределяет давление, с которым магнитное поле давит на8π«стенки» создающего его соленоида: в поле 100 Тл (106 Гс) это составляет порядка 50,000атмосфер.Рисунок 6 Слева: экспериментальная установка по получению сверхсильного магнитногополя до эксперимента.
С сайта [9]. Справа: профиль магнитного поля в импульсе нафинальной стадии импульса и пример измеренных на двух образцах кривыхмагнитосопротивления в сверхвысоких полях. Из статьи [10].1 Абсолютным рекордом является достижение поля 2800 Тл (28 МГс) в объёме 2 см 3, эксперимент требовалпримерно 140 кг взрывчатого вещества [9].стр. 11 из 4006.05.2018Парамагнетизм и диамагнетизм атомов и молекул.Рассмотрим сначала свойства изолированных атомов и молекул в магнитном поле.Парамагнетизм свободных атомов.
Парамагнитнаявосприимчивость. Закон Кюри.Рисунок 7: Зависимость намагниченности парамагнетика от параметрадля двух значений полного момента J =1/ 2 и J =5/2 .x=(g J μ B B)/TВ качестве простейшей модели рассмотрим систему невзаимодействующих атомов сненулевым полным моментом J .Как известно, в магнитном поле будет снято вырождение по проекции полного момента:Ĥ =g μ B B Ĵ z =−B μ̂ z ,Bгде– величина индукции магнитного поля, направление поля является осьюквантования, а g — фактор Ланде (g-фактор).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
