РЕЗОНАНСНАЯ РАЗГАДКА

Старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Смольников успешно завершил исследование, в рамках которого разработал и применил экспериментальные методы ядерной магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии для изучения структуры мультиферроиков и возникающих в них эффектов. Проект молодого ученого был реализован при поддержке гранта Президента РФ.

Как уже сказано, мультиферроики могут демонстрировать свойства, характерные для двух разных классов материалов: как сегнетоэлектрики, проявлять спонтанную поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля, а как ферромагнетики — спонтанную намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. Но главный интерес к этим необычным соединениям связан с новыми свойствами, возникающими при взаимодействии магнитной и электрической подсистем, например, с возможностью управлять намагниченностью электрическим полем или, наоборот, контролировать электрическую поляризацию за счет магнитного поля.

Одно из возможных применений таких эффектов — создание нового поколения компьютерных жестких дисков. Сегодня в этих устройствах используются ферромагнетики, и запись информации идет с помощью магнитного поля, создаваемого в свою очередь электрическим током. Мультиферроики позволят убрать лишнее звено в этом процессе, значительно повысив тем самым энергоэффективность. Научиться применять такой «многогранный» материал можно, если сперва разобраться, как в принципе организована его структура.

— Чаще всего для этой цели используют прямые дифракционные методы или, точнее, метод дифракции нейтронов, — рассказывает Смольников. — Это когда вы объект по сути «просвечиваете», пропускаете через него поляризованные нейтроны. Нейтроны плохо взаимодействуют с любыми заряженными частицами, и благодаря этому на выходе вы видите некую картину, дифракционные пики. Проводя под разными углами такое исследование, можно понять, каким образом направлены магнитные моменты в объекте.

Увидеть структуру более прицельно, объемно и в динамике позволяют методы ЯМР-спектроскопии, которые разрабатывает Смольников, опираясь на опыт коллег по институту.

— Мы работаем на уровне ядер, — говорит молодой ученый. — Если приложить внешнее магнитное поле, магнитный момент ядра начнет прецессировать, т.е. вращаться. Причем вращение будет происходить с определенной частотой в зависимости от внешнего магнитного поля и локальных полей, которые создаются внутри тела. Затем к прецессирующему моменту мы можем подать переменное радиочастотное поле, и он будет поглощать эту энергию, меняя свое положение. При прекращении подачи магнитный момент будет восстанавливать свое исходное положение по отношению к внешнему магнитному полю, посылая сигналы в приемную катушку. Это так называемое эхо индукции, которое мы и можем зафиксировать.

На основе этих данных и уже известных параметров внешнего магнитного поля исследователь может реконструировать, как собственно меняется магнитный момент внутри тела и какие локальные поля оказывают на него влияние. Это особенно важно для мультиферроиков, потому что в этих материалах имеется связь между формирующейся внутри магнитной структурой и возникающей при этом электрической поляризацией.

В целом используемый Смольниковым способ исследования структуры мультиферроиков тот же, что применяется медиками при МРТ органов человека. Существенная разница в том, что на выходе физики имеют дело не с трехмерной визуализацией, а линиями спектра ЯМР, регистрация которого в их случае может занимать часы, дни и даже недели. А там, где врачи для повышения четкости используют контраст, ученые внедряют в объект ЯМР-зонды.

— Точность данных зависит от того, как много их включено в исследование, — подчеркивает Смольников. — Чем больше ЯМР-зондов, тем более целостную картину мы увидим. В рамках работы используем тяжелый изотоп кислорода — кислород-17. В природе его очень мало, поэтому если мы хотим пронаблюдать его в твердом теле, формировать сигнал будут именно предварительно внедренные зонды. С этой целью образцы проходят процедуру изотопического обогащения: объекты помещаются в атмосферу кислорода-17, который постепенно замещает собой кислород-16. Вся процедура проходит у наших коллег в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН, где имеется необходимое оборудование.

Из-за своей редкости кислород-17 крайне дорог, при этом степень обогащения этим изотопом объекта сильно влияет на качество фиксации сигнала. Президентский грант позволил Алексею Смольникову приобрести необходимый компонент и провести уникальное исследование, еще на один шаг приближающее к пониманию природы мультиферроиков.