висмут в магнитном поле

Висмут в магнитном поле

Согласно ранее проведенным нами исследованиям, магнитоэлектролиз интенсифицирует процессы электроосаждения металлов и улучшает качество получаемых покрытий. В данной работе изучали влияние постоянного магнитного поля (МП) на электроосаждение, структуру и некоторые свойства висмутовых покрытий.

Таблица 1. Характеристики процесса электроосаждения висмута и его покрытий в зависимости от режима электролиза (t = 20 °С, i = 2,5 А/дм 2 )

Параметр кристаллической решетки, нм

Коррозионная стойкость, мг/(м 2 ·час)

Внутренние напряжения, МПа

В результате магнитоэлектролиза увеличивается параметр ромбоэдрической решетки висмута, измельчается зерно, рассеивается текстура, сглаживается поверхностный рельеф покрытий, снижается уровень внутренних напряжений сжатия, возрастает твердость и коррозионная стойкость покрытий.

Полученные данные, вероятно, можно объяснить следующим образом: при магнитоэлектролизе повышается химическая активность растворенного в электролите кислорода. Электрокристаллизация висмута в этих условиях сопровождается измельчением и интенсивным окислением структурных элементов (зерен и субзерен), включением в осадки большего количества кислорода (по данным растровой микроскопии с микрозондом). Подобные изменения в структуре покрытий способствуют повышению их твердости и коррозионной стойкости.

Источник

Монокристаллический висмут оказался сверхпроводником

Природный кристалл висмута с радужной оксидной пленкой на поверхности и кубический образец искусственно полученного кристалла висмута высокой чистоты.

Индийские физики открыли, что такой материал как монокристалл висмута становится сверхпроводником при сверхнизких температурах 0,53 милликельвин и при нормальном давлении. В других формах висмута — в тонких пленках, наночастицах или наностержнях, в аморфной форме и под давлением — сверхпроводимость уже была обнаружена. Проявление же эффекта в объемном материале считалось маловероятным из-за очень низких значений плотности носителей заряда. Таким образом, данное открытие поставило точку в более чем пятидесятилетнем научном споре о том, является ли объемный висмут сверхпроводником или нет. Работа опубликована в журнале Science.

Сверхпроводимость — это явление падения сопротивления материала до величин, неотличимых от абсолютного нуля, при температуре ниже некоторой критической. Уже сейчас эти материалы активно применяются в различных областях: от медицины до физики высоких энергий. С ними также связаны и надежды на будущие прорывные технологии, такие как передача электричества без потерь энергии на нагрев проводов, создание поездов на магнитной подушке (маглевов), левитирующих ховербордов и др.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется у огромного количества соединений — в простых элементах, металлооксидах, органических проводниках, фуллеридах металлов, в дибориде магния, железосодержащих арсенидах и халькогенидах, даже в гидросульфидах под давлением. Но до сих пор, через более чем 100 лет с момента открытия этого явления, у сверхпроводимости остается одна «проблема» — критическая температура, которая определяет, насколько сильно нужно охлаждать материал, чтобы в нем проявилось это свойство. Она остается слишком низкой для возможности их повсеместного применения — материалы приходится охлаждать жидким азотом или даже дорогостоящим жидким гелием.

Однако физики, которые занимаются исследованием новых сверхпроводников, обычно не ставят целью повысить их критическую температуру. Ученые считают, что само по себе открытие новых сверхпроводников и изучение механизмов возникновения этого явления со временем поможет либо найти способ сконструировать, например, комнатно-температурный сверхпроводник, либо доказать, что это сделать невозможно.

Левитация магнита над сверхпроводником благодаря эффекту Мейснера. Высокотемпературный сверхпроводник помещен в емкость с жидким азот, который кипит при температуре 77,4 кельвина (−195,75 °C).

Зависимость сопротивления от температуры для ртути, показывающая падения сопротивления до нуля при 4,2 кельвин (около минус 269 по Цельсию). Получена в 1911 году Нобелевским лауреатом Хейке Камерлинг-Оннесом.

Зависимость магнитной восприимчивости от температуры для сверхпроводника первого рода SnAs. Падение магнитной восприимчивости вблизи критической температуры является отражением эффекта Мейснера.

Yue Wang et al./ Chemistry of materials, 2014

Для доказательства сверхпроводимости в каком-либо соединении необходимо показать наличие в нем одновременно двух эффектов, проявляющихся ниже критической температуры: 1) резкое падение сопротивления материала до значений, экспериментально неотличимых от нуля; 2) и эффект Мейснера — выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводника, то есть проявление сильного диамагнетизма ниже критической температуры. При этом величина эффекта в сверхпроводниках гораздо выше, чем в обычных диамагнетиках: сверхпроводники могут практически полностью выталкивать магнитное поле из своего объема

Авторы новой работы пока что доказали наличие только одного из двух эффектов для монокристаллов висмута — эффекта Мейснера. Экспериментально его можно наблюдать как скачок на температурной кривой магнитной восприимчивости вещества: ниже критической температуры она становится отрицательной, что соответствует диамагнитным свойствам.

(А) Температурная зависимость магнитной восприимчивости кристалла висмута для различных значений индукции внешнего магнитного поля. «Скачок» на зависимостях говорит о сверхпроводящем переходе. (В) Зависимость критического магнитного поля от температуры. При значениях индукции поля выше обозначенной синим цветом кривой сверхпроводимость в висмуте разрушается.

Источник

Магнитное поле усилило эффект Томсона на 90 процентов

Ken-ichi Uchid et al./ Physical Review Letters, 2020

Японские материаловеды впервые обнаружили магнито-томсоновский эффект в пластинке из сплава висмута и сурьмы: магнитное поле увеличило на 90 процентов выделяемую томсоновскую теплоту при протекании тока по области с градиентом температур. Метод, позволивший это изучить, авторы планируют применить и к другим термоэлектрическим и термоспиновым явлениям высшего порядка. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Термоэлектрические эффекты были открыты в середине XIX века и уже давно нашли применение в термопарах, элементах Пельтье и преобразователях тепла в электричество. Эффекты Зеебека и Пельтье дополняют друг друга: в одном под действием градиента температуры возникает разность потенциалов на местах спайки, а в другом возникает разность температур из-за разности потенциалов. В то же время эффект Томсона объединяет в себе эти два эффекта: если и запустить по проводнику ток, и поддерживать в нем неравномерность температуры, в одной области дополнительно будет выделяться томсоновская теплота, а в другой области она будет поглощаться. Эта теплота пропорциональна плотности тока и градиенту температуры в области.

Схема классического эффекта Томсона

Ken-ichi Uchid et al./ Physical Review Letters, 2020

Эффекты Пельтье и Зеебека зависят еще и от магнитного поля — эти магнитотермоэлектрические эффекты положили начало спиновой калоритронике (управление направлением спинов за счет потоков тепла). Однако модуляцию Томсоновской теплоты с помощью магнитного поля (магнито-томсоновский эффект) ученые до сих пор не наблюдали. Это решил сделать Кинити Утида (Ken-ichi Uchida) с коллегами из японского Национального института наук о материалах — для проверки эффекта они использовали сплав висмута и сурьмы Bi₈₈Sb₁₂, так как его проявление эффекта Зеебека сильно зависит от температуры и приложенного магнитного поля.

Чтобы наблюдать за магнито-томсоновским эффектом, авторам потребовалось с высокой точностью измерять изменение температуры — это получилось сделать с помощью модулированной термографии: через образец пускали квадратно-модулированный ток, а затем измеряли температуру. Благодаря модуляции получилось вычесть вклад теплоты Джоуля — Ленца (в таких условиях она не меняется со временем). На краях висмут-сурьмяной пластины поместили теплоотводы, а в середину — источник тепла. Таким образом, в одной области направление тока и градиент температуры совпадают (в этой области томсоновская теплота выделяется), а в другой они противоположны (здесь томсоновсая теплота наоборот поглощается).

Ken-ichi Uchid et al./ Physical Review Letters, 2020

Распределение амплитутды и фазы температуры без и с магнитным полем

Ken-ichi Uchid et al./ Physical Review Letters, 2020

Источник

Происхождение магнитоэлектрического эффекта в феррите висмута

Ученые МФТИ объяснили происхождение гигантского магнитоэлектрического эффекта в феррите висмута

Коллектив ученых из Московского Физико-Технического института, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» и Института общей физики им. Прохорова предложили теоретическую модель, объясняющую неожиданно высокие значения линейного магнитоэлектрического эффекта в BiFeO3 (феррите висмута), наблюдаемые в целом ряде экспериментов, а также предложили способ дальнейшего усиления данного эффекта. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

Особенностью феррита висмута является то, что в объемных образцах спины ионов железа Fe3+ выстраиваются в виде пространственной циклоиды (рис.1). Такую спиновую структуру можно разрушить сильным магнитным полем или механическими напряжениями. В отсутствие спиновой циклоиды в феррите висмута проявляется большой линейный магнитоэлектрический эффект, который и стал объектом исследований.

Спиновая циклоидная структура в BiFeO3. Источник – Пресс-служба МФТИ

«Теоретическое описание, изложенное в статье, может быть применимо и для других мультиферроиков, подобных BiFeO3. Это позволит предсказывать значение их магнитоэлектрического эффекта, что, в свою очередь, упростит поиск перспективных материалов для промышленного применения», — комментирует заведующий Лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ Анатолий Константинович Звездин.

Мультиферроики и магнитоэлектрический эффект

Мультиферроики — это вещества, которые одновременно проявляют признаки магнетиков, сегнетоэлектриков и/или сегнетоэластиков. Если в материале присутствует взаимодействие между электрической и магнитной подсистемами, то может проявляться магнитоэлектрический (МЭ) – эффект.

Магнитоэлектрический эффект представляет собой возникновение электрической поляризации под действием внешнего магнитного поля и намагниченности под действием электрического поля. Это позволяет с по­мощью электрического поля управлять магнитными свойствами материала и посредством магнитного поля — электрическими. В случае, когда значение МЭ-эффекта высоки (в десятки-сотни раз больше обычного), он называется гигантским.

На сегодняшний день основное применение магнитоэлектрический эффект нашел в датчиках переменного и постоянного магнитного поля. Они используются в системах навигации, электродвигателях, а также системах зажигания автомобиля. По сравнению с аналогами на основе эффекта Холла или магнетосопротивления, такие датчики более чувствительны (согласно исследованиям, вплоть до миллиона раз) и при этом относительно дешевы в изготовлении.

МЭ-эффект открывает широкие возможности для применения мультиферроиков в новых видах магнитной памяти, например, в быстрых запоминающих устройствах без возможности перезаписи (ROM- read only memory). Кроме того, на основе МЭ-эффекта возможны создание высокоточной аппаратуры для работы с излучением в СВЧ-диапазоне и беспроводная передача энергии миниатюрным электронным устройствам.

Объектом данной работы является феррит висмута (BiFeO3) — один из наиболее интересных и перспективных для практических приложений мультиферроиков. Например, на его основе планируется создать сверх-энергоэффективную магнитоэлектрическую память.

В 80-х считалось, что у этого мультиферроика проявляется только квадратичный магнитоэлектрический эффект (поляризация зависит от приложенного магнитного поля квадратично). То, что линейный магнитоэлектрический эффект долгое время «не замечали», связано всё с той же спиновой циклоидой (рис.1): из-за спиновой циклоиды некоторые характеристики, такие, как намагниченность и магнитоэлектрический эффект «усредняются» к нулю. Однако, при помещении феррита висмута в сильное магнитное поле (больше некоторого критического) такая структура разрушается, что сопровождается возникновением линейного МЭ — эффекта (когда зависимость поляризации от приложенного поля является линейной функцией).

Ранние эксперименты указывали на малое значение линейного магнитоэлектрического эффекта (почти в тысячу раз меньше актуального значения) в феррите висмута, однако более поздние экспериментальные исследования показали наличие большого МЭ-эффекта, и, кроме того, было показано, что используя его в слоистых структурах, можно добиться рекордных значений магнитоэлектрического эффекта.

Авторы статьи разработали теоретическое обоснование возникновения линейного МЭ-эффекта на основе теории Гинзбурга-Ландау и объяснили ранее большое экспериментальное значение этого эффекта. Кроме того, в рамках своей теории исследователи показали возможность усиления МЭ-эффекта в присутствии электростатического поля.

Ознакомиться с работами ученых:

Origin of the giant linear magnetoelectric effect in perovskitelike multiferroic BiFeO3

A. F. Popkov, M. D. Davydova, K. A. Zvezdin, S. V. Solov’yov, and A. K. Zvezdin

Phys. Rev. B 93, 094435 – Published 29 March 2016

Источник

Висмут в магнитном поле

Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси дает информацию о состоянии электронной системы кристалла и требует использования высокоточных методов, так как данные материалы обладают малой диамагнитной восприимчивостью (

Для реализации метода Фарадея в используемой установке применяются маятниковые весы, конструкция которых предложена Доменикали [1]. В неоднородном магнитном поле на тело с магнитным моментом действует сила, направленная вдоль поля и равная произведению магнитного момента образца на величину градиента поля

F_обр=M_{обр обр}, (1)

где ось ОХ совпадает с направлением .

Если образец жестко скреплен с катушкой, через которую пропускается ток I_К, создающий магнитный момент противоположный магнитному моменту образца, то можно подобрать величину этого тока таким образом, чтобы скомпенсировать силу, действующую на образец. Таким образом, маятниковые весы вернутся в положение равновесия, если сила F_К, действующая на катушку,

F_K = I_к NS _K (2)

равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на образец F_обр :

σ_обр =. (4)

Описанная выше методика измерения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов используется в температурном интервале 80-400К. Относительная погрешность весового метода для маятника с внутренней компенсацией при измерениях магнитной восприимчивости диамагнитных образцов составляет 3-4 %.

Описанная методика изучения магнитных свойств вещества использовалась для исследования полевых зависимостей намагниченности и магнитной восприимчивости легированных кристаллов теллурида висмута и сплавов висмут-сурьма. Магнитная восприимчивость χ кристаллов теллурида висмута определялась в двух конфигурациях, при ориентации вектора напряженности магнитного поля Н параллельно (χ_║) и перпендикулярно (χ_┴) плоскости скола кристалла, Н┴С и Н║С соответственно. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ_║ и χ_┴ кристаллов Bi₂Te₃ и твердых растворов Bi₂Te₃— Bi₉₇Sb₃Sn_0.02 приведены в таблице.

Таблица 1. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ_║ и χ_┴ кристаллов Bi₂Te₃ и твердых растворов Bi₂Te₃— Bi₉₇Sb₃Sn_0.02

Источник