​Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) путем численного моделирования изучили поведение магнитных диэлектриков при воздействии на них высокого давления. В результате были описаны наблюдаемые в экспериментах эффекты и предсказан ряд новых феноменов, которые могут найти применение в создании различных сенсоров и устройств памяти. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Объектом исследования ученых стали магнитные диэлектрики с так называемым спиновым кроссовером. Это явление заключается в переходе вещества от одного спинового состояния к другому под каким-либо внешним воздействием. Ярким примером таких веществ является ферропериклаз - второй по распространенности минерал в нижнем слое мантии Земли, состоящий из атомов кислорода, магния и железа.

Десять лет назад ученые из Аргоннской лаборатории (США) в ходе эксперимента установили, что ферропериклаз при определенном высоком давлении скачкообразно меняет свою плотность (для достижения огромных давлений использовалась алмазная наковальня). Это позволило объяснить ряд аномалий, замеченных ранее геофизиками, которые изучают внутреннее строение Земли сейсмическими методами. Так, оказалось, что при давлении, превышающем атмосферное примерно в 940 тысяч раз, плотность минерала скачком увеличивается на 3%.

Ученые Сибирского федерального университета под руководством Сергея Овчинникова в коллаборации с профессором Гвадалахарского университета (Мексика) Александром Нестеровым создали математическую модель, описывающую строение ферропериклаза, и проанализировали, как меняются его свойства с изменением давления.

"Одной из задач было узнать, как на поведение вещества влияют так называемые кооперативные эффекты", - пояснил соавтор работы Сергей Николаев. Кооперативными эффектами называются явления, связанные с тем, что отдельные ионы в структуре вещества взаимодействуют со своим окружением - соседними ионами внутри кристаллической решетки. В частности, за счет этого явления наблюдаются изменения в спиновых состояниях отдельных ионов.

"В нашу модель мы ввели некие параметры: давление, температуру - и, варьируя их, наблюдали различные переходы вещества. Так, в районе абсолютного нуля температур произошел резкий квантовый фазовый переход", - пояснил Сергей Николаев. При более высоких температурах фазовые переходы первого рода, при которых наблюдается изменение плотности, становились более плавными.

Кроме того, в результате численного моделирования был получен ряд новых эффектов. Среди них - возникновение метастабильных состояний вещества вблизи точек перехода и так называемый гистерезис, заключающийся в том, что при увеличении давления квантовый переход происходит при одном его значении, а при движении в обратном направлении - при другом.

По словам ученых, ряд других известных материалов обладает похожими на ферропериклаз свойствами. Их способность скачкообразно менять свои свойства при изменении внешнего давления позволит в будущем создавать на их основе всевозможные сенсоры.

"Например, можно сделать так, чтобы при таких переходах вещество меняло цвет или другие оптические свойства. При этом измерять таким образом можно не только гигантские, но и невысокие давления, все зависит от подстройки системы", - пояснил соавтор работы Юрий Орлов. Помимо этого, феномен спинового кроссовера можно использовать в различных устройствах памяти. "Два состояния, низко- и высокоспиновое, - это как ноль и единица, которые можно записывать и потом считывать. Выгода получается за счет увеличения плотности записи, ведь ячейкой памяти будет выступать всего один ион", - рассказал соавтор работы.

Наконец, на основе исследованных эффектов можно создавать оптические переключатели, в которых на оптические свойства вещества можно воздействовать электромагнитным излучением - с этим эффектом связаны дальнейшие планы ученых.

Похожие новости

  • 22/03/2017

    Алтайский государственный университет – участник Сибирской сети по изучению изменений окружающей среды

    В начале 2017 года Алтайский государственный университет подписал Соглашение о создании консорциума – Сибирской сети по изучению изменений окружающей среды (SecNET), среди участников которого – 10 ведущих научных и образовательных центров Сибири: Национальный исследовательский Томский государственный университет, Югорский государственный университет, Институт водных и экологических систем СО РАН, Институт биологических систем криолитозоны СО РАН (Якутск), Северо-Восточный федеральный университета им.
    568
  • 06/09/2016

    В Красноярске откроют крупнейший в стране научный металлургический центр

    ​В Красноярске на базе СФУ откроется один из крупнейших научно-технологических центров по изучению и контролю минерального сырья. 5 сентября, проект образовательного центра представили спикеру Заксобрания, президенту СФУ Александру Уссу.
    644
  • 17/03/2017

    Более 30 стран примут участие в Международном Конгрессе и Выставке «Цветные металлы и минералы»

    ​С 11 по 15 сентября в Красноярске состоится IХ Международный Конгресс и Выставка "Цветные металлы и Минералы - 2017", в рамках которых пройдут отраслевые конференции: XXIII "Алюминий Сибири", XI "Металлургия цветных, редких и благородных металлов" и XIII "Золото Сибири" С 11 по 15 сентября в Красноярске состоится IХ Международный Конгресс и Выставка "Цветные металлы и Минералы - 2017", в рамках которых пройдут отраслевые конференции: XXIII "Алюминий Сибири", XI "Металлургия цветных, редких и благородных металлов" и XIII "Золото Сибири".
    854
  • 11/10/2017

    В СФУ внедрят мировые тренды нефтегазового образования

    Преподаватели Института нефти и газа Сибирского федерального университета Нина Дерягина и Александр Третьяков прошли стажировку по программам IFP Training во Франции с 18 по 29 сентября 2017 года. ​Во время поездки специалисты ИНиГ изучили организацию и наполнение магистерских программ в области нефтепереработки и нефтехимии.
    155
  • 13/10/2017

    В Красноярске проходит VI Экологическая конференция «Охрана окружающей среды и промышленная деятельность на Севере»

    ​Состояние окружающей среды в арктических территориях, где ведется активная промышленная деятельность, на сегодняшний день таково, что необходимо срочно найти баланс между дальнейшим промышленным развитием и сохранением экологии, считают участники экологической конференции "Охрана окружающей среды и промышленная деятельность на Севере", которая начала свою работу в Красноярске.
    415
  • 02/12/2016

    СФУ и Датский технический университет будут сотрудничать в освоении Арктики

    ​В Российском центре науки и культуры Копенгагена состоялся круглый стол "Арктика: университетское сотрудничество России и Дании". В рабочей встрече приняли участие представители Датского технического университета и Сибирского федерального университета.
    601
  • 26/06/2017

    Испанский ученый приехал в Красноярск ради деревьев и климата

    ​Ученый из Испании Альберто Арзак приехал в Красноярск по программе постдоков СФУ. На родине он изучал изменения климата и окружающей среды на планете. Помощниками в исследовании климатических загадок на Земле стали простые деревья.
    343
  • 08/12/2017

    Нефтяники СФУ познакомились с европейским опытом нефтепереработки

    ​Расширенный курс лекций "Тяжелые фракции", посвященный переработке тяжелых нефтяных остатков, прочел для магистрантов и аспирантов Института нефти и газа Сибирского федерального университета (СФУ) профессор учебного центра Французского института нефти (Рюэй-Мальмезон, Франция) Серж Леклер, рассказали РИА Новости в пресс-службе СФУ.
    91
  • 01/11/2017

    СФУ и Университет Барселоны запустили учебную программу по экомониторингу

    ​Институт экологии и географии Сибирского федерального университета (ИЭиГ СФУ) запустил новую магистерскую программу по подготовке специалистов в области экологии и природопользования "Экологический мониторинг" с двуязычным русско-английским учебным модулем, разработанным совместно с преподавателями Университета Барселоны, сообщили РИА Новости в пресс-службе СФУ.
    177
  • 25/08/2016

    Исполнительный директор компании «Роснефть» и ректор СВФУ подписали соглашение о сотрудничестве

    ​Ректор Северо-Восточного федерального университета Евгения Михайлова и главный исполнительный директор нефтяной компании "Роснефть" Игорь Сечин подписали соглашение о сотрудничестве. Между вузом и промышленной компанией будет создана система партнерских взаимоотношений, начиная с довузовской подготовки и профориентации молодежи.
    815