A vas és a nikkel mágnesessége - a Földön és a Földön belül

A vas és a nikkel mágnesessége – a Földön és a Földön belül

Andrei Katanin,
Fizikai és matematikai tudományok doktora, a Fémfizika Intézet vezető kutatója. Miklós Miklós urán RAS, a RAS professzora
"Kommerszant Tudomány" 6, 2017. szeptember

A Föld mágnesességét a mag vas és nikkel határozza meg. De még nem világos, hogy hogyan. Fotó: Science Photo Library / AFP

Emberek már évezredek óta ismerik a szárazföldi mágnesességet, de az okát még nem tisztázták. Az uráli fizikusok elméleti tanulmányai válaszolhatnak erre a kérdésre.

A vas mágneses tulajdonságait több ezer évszázadban fedezték fel. e. Tehát Kínában mágneses anyagokat használtak egy iránytű létrehozásához. 1269-ben Peter Peregrin Mágnes könyvét írta, és 1600-ban William Gilbert egy mágneses írást írt, amely leírja a mágnesek alapvető tulajdonságait és elemzi a Föld mágnesességét. Ma a vas, beleértve annak mágneses tulajdonságait, számos különböző technológiai alkalmazást talál. A vas nem az egyetlen mágneses anyag, a nikkel és a kobalt észrevehető, amely sokkal később érdekli az emberiséget, és jelenleg is széles körben használják.

A mágnesesség hosszú tanulmányozása ellenére ez a jelenség még mindig új kérdéseket vet fel. A mindennapi életben a mágnesességet úgy érezzük, mint a testek vonzerejét vagy taszítását.A fizikában a mágnesességet úgy értjük, mint egy test azon képességét, hogy a maradék mágnesezést (azaz saját mágneses mezőjét) külső mágneses mező hiányában megőrizze. És már ez a saját terület is hatással lehet más mágneses testekre.

A mágnesesség két fogalma

A legtöbb mágneses anyag közös tulajdonsága, hogy mágnesességük az úgynevezett átmeneti fémek atomjainak köszönhető d-elektronok (index d egy atom elektronikus állapotának bizonyos szimmetriájára utal). Az átmenetifémek nem csak vas, kobalt és nikkel, több tucatnyi is van.

Lokalizált (a tetején) és a zóna (lent) képek a ferromágnesességről

Az elektron spin koncepciójának megjelenésével és a megfelelő mágneses momentum kialakításával két különböző kvantummechanikai képet javasoltak – lokalizált és zonizált.

A Heisenberg által megfogalmazott lokalizált kép azt sugallta, hogy a kristályban lévő elektronok nem ugornak egyik atomról a másikra, hanem a szomszédos atomok közötti elektronok közötti kölcsönhatás. Ez tisztán kvantumhatás a pörgetések párhuzamos és párhuzamos rendezésének energiáinak különbsége miatt.A Stoner zenekar mintája éppen ellenkezőleg azt sugallta, hogy az elektronok mozognak, és kölcsönhatásukat főként egy atomon belül végzik.

Első pillantásra a zenekar képe jobban alkalmazható az átmenetifémekre. De nem tudta megmagyarázni néhány jelenséget, például a Curie-Weiss-törvényt, amely leírja az inverz érzékenység lineáris függését a hőmérsékleten (a fogékonyság a rendszer reakciója egy gyenge külső mágneses mezőre). Ugyanakkor teljesen világossá vált, hogy miért nem lehetett a lokalizált elektronok képe, amely úgy tűnik, nem alkalmazható az átmenetifémekre (különösen a vasra), sokkal jobban leírja a kísérletet.

Az 1950-es évek végén – az 1960-as évek elején – Neville Mott és utána John Gudnaffe azt javasolta, hogy egyes elektronok vasból (nevezetesen az úgynevezett plállítja, az öt lehetséges közül kettő d– az atommagot) a "nem vezetõ hullámfüggvények" jellemzik, vagyis nem ugrálnak, lokalizálva vannak.

Bár az akkoriban a Mott-Gudanaf-féle feltételezés túlságosan túllépett az akkoriban létező elméleti megközelítésektől, az elektronok átmenetét a szalagtól kezdve az állam állapotát a helyi állapotig vezette.Ez megfelel az úgynevezett fémszigetelő orbitális függő átmeneteknek, amelyeket sokkal később hoztak beorbitális szelektív Mott-átmenet).

A későbbiekben (1980-as években) kifejlesztett módszerek a sávelmélet alapján a fémek közötti kölcsönhatások számításának módszerei lehetővé tették a vas lokalizált pillanatainak létezésére vonatkozó bizonyos elméleti jelek megszerzését, de e számítások módszereiben már az elektronok elektronvonala volt .

Peter Peregrin (Petrus Peregrinus) – Ezt a latin becenevet a 13. századi francia fizikus Pierre Pelerin de Maricourt írta alá. Élete pontos időpontjai ismeretlenek. Peregrin az első kísérleti tanulmány szerzője és a mágnesesség első részletes tudományos munkája.

William Gilbert (William Gilbert), 1544-1603 – angol fizikus és bírósági orvos, villamossági és mágneses kutató, a mágneses jelenségek első elméletének szerzője.

Sir Neville Francis Motte (Nevill Francis Mott), 1905-1996 – angol fizikus, Nobel-díjas fizika 1977-ben, Philip Anderson és John van Fleck együttesen "a mágneses és rendezetlen rendszerek elektronikus struktúrájának alapvető elméleti tanulmányozására", az interakció által kiváltott átmenet elméletének szerzője fémtől a szigetelő állapotig.

John Gudenaf (John Goodenough) született1922 – Amerikai tudós, a fizika és az anyagtudomány szakterületének szakembere.

Első lépések az egységes elmélethez

A helyzet csak az 1990-es évek vége felé fordult elő – a 2000-es évek elején az úgynevezett dinamikus középmező elmélet kialakulása és fejlődése. Ez az elmélet megközelítőleg csökkenti az elektronok mozgásának komplex problémáját egy kristályban az állapotuk változásának figyelembevételével idővel egy kiválasztott atomra. Az elmélet lehetővé tette számunkra, hogy fém-szigetelő átmeneteket írjunk le számos anyagban, ami természetesen az átmeneti fémek mágnesességének megmagyarázására való képességével kapcsolatos kérdésre vezetett.

Különösen a vas és a nikkelt vizsgálta Mikhail Katsnelson, Alexander Lichtenstein 2001-ben Gabriel Kotlyar amerikai fizikus mellett.

Első ízben egy teljesen mikroszkopikus (vagyis az első elvű egyenletekből) számításból származtattak a sávszélen, lineáris viselkedést kaptak a fordított érzékenység és a hőmérséklet függvényében (Curie-Weiss-törvény), amelyet általában úgy értelmeznek, mint a helyi momentumok jelenlétét. A lokális érzékenység gyengeségét (a képzeletbeli idő tengelyén, amely elméleti szempontból könnyebben tanulmányozható) a helyi idők jelenlétét jelzi.Valamikor úgy tűnt, hogy a vas és egyéb átmeneti fémek problémája szinte megoldódott.

Energia zónák

Egy atomban az elektronenergia szintje diszkrét. A kristályos szilárd anyagban az engedélyezett energiák (megengedett sávok) és a tiltott energiák (tiltott sávok) teljes tartományai keletkeznek. Egyszerűsítés céljából elmondható, hogy az engedélyezett zónák atomszintekből állnak, amikor az atomok kristályokká válnak, és a fennmaradó helyet tiltott zónák foglalják el.

A klasszikus gondolatok új módszerekkel történő kifejlesztése

Azonban a fémszigetelő-függő orbitális átmenet fogalmának megjelenése a 2000-es évek közepén újra kénytelen volt korábban korábban elvégzett módosításokat elvégezni. Itt fordulok a kutatásomhoz a kollégáimmal együtt. A vas problémájával kapcsolatos érdeklődésem 2007-ben történt, amely a Jataterinburgi Nemrég létrehozott Kvantum Anyagtudományi Intézeten folytatott megbeszélések eredményeként jött létre, de aztán meghaladta az intézet kereteit. Különösen érdekelt a kérdés, hogy miként lehet továbbfejleszteni Mott és Gudenaf ötleteit az elektronikus korrelációk elemzésének modern módszerei segítségével.

A vas atomjának elektronikus konfigurációja. Koncentrikus körök megfelelnek az atom különböző energiaszintjeinek. Zöld pontok ábrázolják az elektronokat a pályákons (Circular) kék – bep (Extended) narancs – bed– az űrben összetettebb eloszlású orbitálisok

Ebben az összefüggésben felmerült egy ötlet, hogy a vasat a dinamikus középmező-elmélet keretén belül vizsgálják meg, felhívva a figyelmet a különféle elektron-pályáknak a megfigyelt tulajdonságokra gyakorolt ​​hatására. Már a zenekar szerkezetéből következett, hogy a hozzászólások T2G és pl – A mirigyben lévő elektronikus állapotoknak másnak kell lenniük. (Itt vannak a megnevezések T2G és pl ismét kapcsolódnak az elektronikus szimmetriához d– egy köbös rácson áll, mindegyik öt lehetséges atomon d– három állapot van T2G-ztat és kettőt pl– állítja – az elektron spinálásának két lehetséges vetületére. Egy szilárd állapotban ezek az állapotok, T2G– és pl-zone). Sőt, két elektronikus zóna – T2G és pl – teljesen eltérő módon vannak elrendezve (pontosabban eltérnek az impulzus elektronenergiájától). És a fennmaradó kevésbé jelentős, úgynevezett nem helyi hatásokat a perturbációs elmélet szerint lehet figyelembe venni.

Ezt a problémát a Vladimir Anisimov, a Fémfizika Intézet, az Orosz Tudományos Akadémia uráli részlegével folytatott együttműködésemmel kezdtem. Amint azt a dinamikus középmező elmélet módszerének számításai mutatják, a viselkedés T2G– és pl-elektronok teljesen más. Különösen az elektronok úgynevezett önenergiája, amely leírja az elektronok kölcsönhatásának hatását a mozgásukra, különböző energiafüggőséggel rendelkezik a T2G– és plállamok. Ezenkívül a pl– állapította meg, valóban bizonyította a lokalizáció lehetőségét. Ezenkívül kiszámítottuk a lokális (vagyis az adott kiválasztott atom egy külső mágneses térre adott megfelelő válaszát is) helyi orbitális hozzájárulását. Kiderült, hogy a hozzájárulás pl– A helyi érzékenységre vonatkozó állításokat jól ismerteti Curie törvénye (Curie-Weiss jogának speciális esete), amely ismételten megerősítette ezen államok erőteljes lokalizációját. Ugyanakkor a hozzájárulás T2G– a statisztikák komplexebb hőmérséklet függést mutatnak, de kevertek T2Gpl– a teljes helyi érzékenység kielégíti a Curie-törvényt.A dinamikus helyi érzékenység, amelyet már egy időfüggő külső mágneses mezőre adott válaszként definiáltunk, a helyi momentumokkal rendelkező rendszerek szűk csúcsa.

Szigorúan a fent leírt Curie-törvény a helyi érzékenységre vonatkozóan van egy kis korrekció is. Azt jelzi, hogy létezik egy alacsony hőmérséklet, amely alatt a helyi pillanatok megszűnnek, és ahogyan azt mondják, árnyékolták a mozgóvezető elektronokat (ezt a Kondo-hatásnak nevezik, miután a japán fizikus felfedezte a hatását).

A Vörös Hadsereg közvetett csere pillanatainak (hosszú nyilak) vezetési elektronokon keresztül (rövid nyilak). én, j két különböző atomnak felel meg, én – a Hund kölcsönhatása, vékony nyilak show jump direction

A nem-helyi hatások (beleértve a mágneses csere természetét is) reális megfontolása a perturbációs elmélet keretében sokkal később, 2015-ben 2017-ben, Peter Igoshev, Alexander Belozerov és Vladimir Anisimov együttműködésével valósult meg. A mágneses csere kiszámításához követheti azt a régóta fennálló elképzelést, hogy az közvetett csere vezetési elektronokon keresztül történik.Ez a Vörös Hadsereg úgynevezett mechanizmusa: Ruderman-Kittel-Kasui-Yosida (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida); a Szovjetunióban hasonló gondolatokat fejlesztettek ki Semyon Shubin és Sergey Vonsovsky. A közvetett csere a helyi momentumok kölcsönhatása a mobil, szabad elektronokon keresztül. A probléma azonban az, hogy az átmeneti fémek között nincs egyértelmű elválasztás, mivel a helyi momentumok véges élettartammal rendelkeznek, és ugyanaz az elektron lehet lokalizálni vagy átszállítani különböző időpontokban. Ez a probléma azonban (legalábbis a vas számára) kijátszható matematikai átalakítások segítségével – az elektronikus rendszer érzékenységének újraírása formájában olyan formában, amelyben a hatékony mágneses pillanatok közötti kölcsönhatás világosan megkülönböztethető. Ebben az esetben csak a Vörös Hadsereg formája van. A kapott "kvazilokális" pillanatokat ezután a megfigyelt helyi momentumokkal társíthatjuk. Ez a megközelítés jó eredménnyel jár, mint a puszta sávelméletek során korábban kapott eredmények, amelyekben – mint már említettük – egy helyi momentum fogalma hiányzik.

Így a mirigyben jól meghatározott helyi momentumok jelennek meg a csere interakció következtében.Ugyanakkor kiszámították a nem helyi javításokat, amelyek lehetővé tették a kísérleti adatokkal való jó egyetértés elérését.

Vas, nikkel és földmágnesesség

Ahogy a közelmúltban végzett tanulmányok kimutatták J. Sanjovani csoportjával együttműködésben a Würzburg-i Egyetemen (Németország), a nikkel mágneses tulajdonságai mind a hasonlóságok, mind a vas-különbségek mutatói. A nikkel és a vas közötti különbség az, hogy nyolc, nem hat delektronok. Bár a vashoz hasonlóan a nikkel helyi érzékenysége betartja a Curie-Weiss-törvényt, nikkelben teljesen más eredetű, nevezetesen nagyrészt a sávszerkezetnek és nem az interakciónak köszönhető. Ezenkívül a nikkelben a helyi momentum viszonylag kicsi, és emellett már magas hőmérsékleten is részlegesen átszitált. Az interakciónak csak az a szerepe, hogy élesen csökkenti a Kondo hőmérsékletét, amely fölött a helyi pillanatok jól meghatározottak, több ezer és több száz fok között.

Nagy nyomás alatt a vas nemmágneses lesz. De egy kis nikkel hozzáadásával visszanyeri a mágnesességet.

Ezeket (és néhány más, nem ismertetett) a nikkel érdekes tulajdonságait a közelmúltban továbbfejlesztették vas-nikkel ötvözetek alatt nyomás alatt.Nyomás alatt a vas egy különleges, úgynevezett epsilon fázisban van, amely radikálisan különbözik a "normál" alfa-fázistól. Különösen az epsilon vasnak nincsen semmilyen helyi mágneses pillanata. Azonban a nikkelatomok hozzáadása az epsilon-vashoz még kis koncentrációban is kvalitatív módon változtatja meg a helyzetet.

A nikkel és az epsilon vas elektromos szerkezetének jellemzői olyanok, hogy az ötvözet mágneses tulajdonságai, amelyek még kis mennyiségű nikkelt tartalmaznak, közel állnak a "közönséges" nikkel tulajdonságaihoz. Ez a tény fontos következményekkel járhat a földi geomagnetizmus magyarázatára. A Föld belső magja, ahogy feltételezhető, csak vasat és nikkelt tartalmaz, körülbelül 4: 1 koncentrációban. Habár a földön belüli magas hőmérsékleten a vas folyékony, a vasatomok mobilitása kicsi, és állapotuk korrelálható a kristályos fázisok valamelyikével. Ebben az esetben a nem-mágneses epsilon fázis tűnik a legenergetikusabbnak. És akkor pontosan a nikkel jelenléte a Föld magjában, amely a vas-nikkel ötvözet által termelt alacsony hővezetési képességgel alátámasztott, úgynevezett geodinamóhatást (a folyadék mag forgását) eredményezheti a Föld mágneses mezőjének megjelenésével.Így a vas-nikkelötvözetek abszolút elméleti vizsgálata tisztázhatja az eddig megoldatlan problémák egyikét – a Föld mágneses mezőjének eredetének problémáját.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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