Термодинамическое объяснение эффекта инвара
В статье под названием «Термодинамическое объяснение эффекта инвара», опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи из лаборатории Брента Фульца, профессора материаловедения и прикладной физики Барбары и Стэнли Р. Рон-младших говорят, что они вычислили и раскрыли секрет стойкости по крайней мере одного Инвара.
Образцы инварного сплава.
Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.
Почти каждый материал, будь он твердым, жидким или газообразным, расширяется при повышении температуры и сжимается при понижении температуры. Это свойство, называемое тепловым расширением, заставляет воздушный шар плавать, и это явление было использовано для создания термостатов, которые автоматически включают и выключают домашнюю печь. Железные дороги, мосты и здания спроектированы с учетом этого свойства, и им дается возможность расширяться, не деформируясь и не ломаясь в жаркий день.
Тепловое расширение происходит из-за того, что атомы материала вибрируют больше при повышении его температуры. Чем сильнее вибрируют его атомы, тем больше они отталкиваются от соседних атомов. По мере увеличения расстояния между атомами плотность материала уменьшается, а его общий размер увеличивается.
Есть несколько исключений, но в целом материалы строго соответствуют этому принципу. Однако существует класс металлических сплавов, называемых инварами (подумайте о «неизменных»), которые упорно отказываются изменять размер и плотность в широком диапазоне температур.
«Почти неслыханно найти металлы, которые не расширяются», — говорит Стефан Лохаус, аспирант в области материаловедения и ведущий автор новой статьи. «Но в 1895 году физик случайно обнаружил, что если соединить железо и никель, каждый из которых имеет положительное тепловое расширение, в определенной пропорции, то получится этот материал с очень необычным поведением».
Это аномальное поведение делает эти сплавы полезными в приложениях, где требуется исключительная точность, например, при производстве деталей для часов, телескопов и других тонких инструментов. До сих пор никто не знал, почему инвары так себя ведут. В новой статье под названием «Термодинамическое объяснение эффекта инвара», опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи из лаборатории Брента Фульца, профессора материаловедения и прикладной физики Барбары и Стэнли Р. Рон-младших говорят, что они вычислили и раскрыли секрет стойкости по крайней мере одного Инвара.
Уже более 150 лет ученые знают, что тепловое расширение связано с энтропией, центральным понятием термодинамики. Энтропия — это мера беспорядка, например положения атомов в системе. С увеличением температуры увеличивается и энтропия системы. Это универсально верно, поэтому необычное поведение инвара должно объясняться чем-то, что противодействует этому расширению.
Фононная плотность состояний инвара при различных давлениях. Экспериментальные парциальные кривые DOS для 57 Fe, измеренные с помощью NRIXS (черные кривые), сравниваются с рассчитанными DOS (оранжевые кривые), и обе нормализованы к 1. Столбики погрешностей показывают стандартное отклонение последовательных сканирований NRIXS (в среднем, всего 39 480 отсчеты регистрировались для каждого неупругого спектра). В условиях окружающей среды измерение NRIXS отлично согласуется с DOS, измеренным INS (синие маркеры).
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-02142-z
Лохаус говорит, что давно подозревали, что такое поведение каким-то образом связано с магнетизмом, потому что только определенные ферромагнитные сплавы (способные намагничиваться) ведут себя как инвары.
«Мы решили посмотреть на это, потому что у нас есть очень аккуратная экспериментальная установка, которая может измерять как магнетизм, так и атомные вибрации», — говорит Лохаус. «Это была идеальная система для этого».
Поскольку магнитные свойства материала являются результатом так называемого спинового состояния его электронов — квантовой меры углового момента, который может быть «вверх» или «вниз», — любой магнитный эффект, противодействующий ожидаемому расширению материала, должен быть обусловлен активность его электронов.
Взаимосвязь между энтропией, тепловым расширением и давлением, известная как «соотношения Максвелла», часто представляется как диковинка из учебника, но группа Калифорнийского технологического института нашла способ использовать ее для независимого измерения теплового расширения, вызванного магнетизмом и вибрациями атомов. Эксперименты проводились на усовершенствованном источнике фотонов, источнике синхротронного рентгеновского излучения в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, путем измерения колебательных спектров и магнетизма небольших образцов инвара при давлении внутри ячейки с алмазной наковальней.
Измерения показали тонкую компенсацию теплового расширения из-за колебаний атомов и магнетизма. Оба менялись в зависимости от температуры и давления, но таким образом, что сохранялся их баланс. Используя недавно разработанный точный теоретический подход, сотрудники этой работы показали, как этому балансу способствовало взаимодействие между вибрациями и магнетизмом, например, когда частоты колебаний атомов изменяются под действием магнетизма. Такая связь между вибрациями и магнетизмом может быть полезна для понимания теплового расширения других магнитных материалов , а также для разработки материалов для магнитного охлаждения.
Экспериментальная установка состояла из ячейки с алмазными наковальнями, которая по существу представляет собой два точно отшлифованных алмазных наконечника, между которыми могут быть плотно сжаты образцы материалов. При этом небольшой кусочек инварного сплава сжимали под давлением 200 000 атмосфер. Исследователи пропустили через сплав мощный пучок рентгеновских лучей, и во время этого процесса рентгеновские лучи взаимодействовали с вибрациями (фононами) его атомов. Это взаимодействие изменило количество энергии, переносимой рентгеновскими лучами, что позволило исследователям измерить, насколько сильно вибрируют атомы.
Они также разместили датчики вокруг ячейки с алмазной наковальней, которые могут обнаруживать интерференционные картины, создаваемые спиновым состоянием электронов, принадлежащих атомам образца.
Команда использовала свою экспериментальную установку для наблюдения как за атомными колебаниями образца инвара, так и за спиновым состоянием его электронов по мере увеличения температуры образца. При более низких температурах большее количество электронов инвара разделяет одно и то же спиновое состояние, заставляя их двигаться дальше друг от друга и отталкивать родительские атомы дальше друг от друга.
По мере повышения температуры инвара спиновое состояние некоторых из этих электронов все больше менялось. В результате электронам стало удобнее подлизываться к соседним электронам. Как правило, это приводит к тому, что инвар сжимается при нагревании. Но и здесь атомы инвара вибрировали сильнее и занимали больше места. Сжатие из-за изменения спиновых состояний и расширение атомных колебаний противодействовали друг другу, и размер инвара оставался прежним.
«Это захватывающе, потому что это проблема науки уже более ста лет или около того», — говорит Лохаус. «Есть буквально тысячи публикаций, пытающихся показать, как магнетизм вызывает сокращение, но не было целостного объяснения эффекта инвара».
Соавторами являются аспиранты в области материаловедения Педро Гусман и Камилла М. Берналь-Чобан, посетитель в области прикладной физики и материаловедения Клэр Н. Сондерс, Гоинь Шен из Аргоннской национальной лаборатории, Олле Хеллман из Научного института Вейцмана, Дэвид Бройдо. и Мэтью Хайне из Бостонского колледжа, и Фульц.
