Группа физиков и материаловедов открыла универсальный закон, регулирующий магнитные свойства метамагнетиков — металлических сплавов, которые могут претерпевать резкое увеличение намагниченности при приложении небольшого внешнего магнитного поля, например, от постоянного магнита или электромагнита.
Ученые обнаружили, что магнитный эффект, по-видимому, всех метамагнетиков является нелинейным. Когда эти метамагнетики помещаются в начальное магнитное поле и поле удваивается, их магнитная сила более чем удваивается.
Это важно, потому что в конечном итоге ученые и инженеры, вероятно, воспользуются этим уникальным свойством для различных приложений, включая охлаждение.
«Мы обнаружили, что это нелинейное свойство имеет одинаковое количественное поведение во всех различных типах метамагнетиков, что является универсальным законом», — сказал Беллав Шиварам, профессор физики Университета Вирджинии, который руководил исследованиями, которые проводились в его лаборатории и с использованием материалы, синтезированные в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Результаты опубликованы в отдельных статьях, которые в настоящее время доступны онлайн в журналах Physical Review B: Rapid Communications и Review of Scientific Instruments.
По словам Шиварама, недавно открытое нелинейное свойство можно использовать разными способами.
«Очень полезным свойством этого типа магнетизма является магнитное охлаждение», — сказал он. «Магнитные холодильники — не обычное дело, они все еще находятся в стадии экспериментов. Но со временем они могут стать частью повседневной бытовой техники, от тепловых насосов до холодильников, в которых мы храним продукты."
В настоящее время метамагнетики производят эффективное охлаждение только при очень низких температурах, используя сверхпроводящие магниты, что делает их непрактичными для общего охлаждения.
«Благодаря новым открытиям свойств метамагнетиков они могут стать частью повседневной бытовой техники в течение примерно десяти лет», — сказал Шиварам.
Современные холодильники являются одними из крупнейших потребителей энергии в доме. Они включают в себя несколько движущихся частей, что делает их дорогостоящим ремонтом, и они могут просачивать фторуглероды в атмосферу, что может разрушать озон.
По словам Шиварам, в холодильниках будущего, использующих метамагнетики, будет меньше движущихся частей, не потребуется хладагентов и, вероятно, будет использоваться меньше электроэнергии.
«В этих новых материалах магнетизм можно циклически включать и выключать, позволяя отводить тепло так, как это происходит сегодня в тепловом насосе», — сказал Шиварам. «В современных тепловых насосах мы используем давление для переключения охлаждающей среды из жидкой фазы в паровую. В новых магнитных холодильниках мы будем использовать магнитный материал и вместо этого циклически меняем магнитное поле."
Другим возможным применением метамагнитов может быть, например, более эффективные устройства досмотра в аэропортах. Такие экраны используют безвредные терагерцовые волны для сканирования материалов.
По словам Шиварам, экранирующая установка, использующая метамагнетики, будет генерировать более эффективную генерацию терагерцовых волн за счет преобразования мощных низкочастотных радиоволн в терагерцевые волны с использованием нелинейных свойств метамагнетиков.
«Обнаружив свойства этих материалов, мы показали их обещание», — сказал Шиварам. «Мы определим будущие направления и какие новые материалы мы должны использовать для возможного использования."
Его соавторами в статье Physical Review B являются бывшие U.Ва. аспирант Брайан Дорси, материаловед Дэвид Хинкс из Аргоннской национальной лаборатории и физик Прадип Кумар из Университета Флориды. Эта совместная работа продолжается и недавно была дополнена участием Витторио Челли, U.Ва. почетный профессор физики.