Magnetické laviny

Petr Kulhánek, 19. září 2005

Vlastnosti feromagnetik jsou mimořádně důležité z experimentálního i teoretického hlediska. V roce 2005 byly ve feromagnetikách detekovány zajímavé magnetické laviny – oblasti překlápějících se magnetických momentů, které se šíří krystalem konstantní rychlostí o dva řády nižší, než je rychlost šíření zvuku. Tyto laviny mají podobné chování jako čelo šířícího se požáru. Není vyloučeno, že v budoucnu by se vlastnosti šíření požáru mohly zkoumat právě ve feromagnetikách.

Feromagnetika

Feromagnetika jsou látky, ve kterých je vzájemná energie dvou sousedních magnetických momentů záporná, pokud jsou souhlasně orientovány. Při nízkých teplotách jsou momenty nuceny vytvářet shodně orientované oblasti (tak, aby celková energie byla pokud možno co nejnižší). Tyto oblasti nazýváme Weissovy domény a celý stav feromagnetika nízkoteplotní fází. Při poněkud vyšších teplotách jsou výhodné konfigurace, ve kterých se orientace momentů (spinůSpin – vlastní rotační moment částice. Přirozeným způsobem se skládá s momentem hybnosti. Každá částice s nenulovým spinem se chová jako malý magnetický dipól μ, který reaguje na vnější magnetická pole. Původ spinu je v symetrii rovnic vzhledem k Lorentzově transformaci.) soused od souseda mění pomalu. Vytvářejí se spinové víry či spinové vlny. Takovou konfiguraci feromagnetika nazýváme „soft“ fází. Při ještě vyšších teplotách mají momenty feromagnetik náhodné směry, hovoříme o tzv. vysokoteplotní fázi.

Fázový přechod z vysokoteplotní do soft fáze se nazývá Kosterlitzův-Thoulessův a fázový přechod do doménové struktury se nazývá Curieův přechod. U některých typů feromagnetik soft fáze zcela chybí a feromagnetikum při snižování teploty přechází z chaotického uspořádání přímo do doménové struktury.

Typické fáze feromagnetika. Se snižováním teploty se vysokoteplotní chaotická fáze
mění na soft fázi s víry a dalším snížením teploty se vytvoří domény. Zdroj: Autor.

Existují i další látky, které mají s feromagnetiky mnoho společného. Především jde o antiferomagnetika, ve kterých je vzájemná energie dvou sousedních momentů kladná, pokud mají souhlasný směr. Při nízkých teplotách jsou nejvýhodnější konfigurace s nejnižší energií, například pravidelně se střídající orientace opačných momentů. Dalšími zajímavými materiály jsou spinová skla, u kterých se vazbová konstanta liší od dvojice spinů ke dvojici. Často má náhodný charakter. Spinová skla mohou mít obrovské množství základních stavů (s nejnižší energií) a jsou charakterizována neuspořádanými konfiguracemi při nízkých teplotách (obdobně jako klasická skla).

Magnetické laviny

Za teploty absolutní nuly by měl nastat ideální stav, kdy jsou všechny magnetické momenty feromagnetika shodně zorientovány a celý objem tvoří jediná Weissova doména. V reálných situacích je ale teplota vždy nenulová a může se objevit několik málo domén oddělených stěnami. Taková stěna je vlastně myšlená plocha, na které se mění orientace magnetických momentů. Před a za plochou mají momenty různý směr. Polohy stěn jsou víceméně náhodné, pokud je soustava v termodynamické rovnováze. Jejich počet je dán teplotou vzorku. Za určitých podmínek se může vytvořit pohybující se magnetická stěna, která má charakter laviny a překlápí spiny do jiné orientace. Takovou stěnu můžeme vidět na klipu týdne v úvodu tohoto bulletinu.

V roce 2005 se podařilo jednoduché magnetické laviny generovat týmu pracovníků Skupiny nízkých teplot katedry fyziky fakulty CCNYCCNY – City College of New York, jedna z fakult univerzity CUNY (City University of New York). na univerzitě CUNYCUNY – City University of New York, největší městská univerzita v USA. Má 17 fakult a její kořeny sahají až do roku 1847. Dnes má škola přes 450 000 studentů a zaměstnanců. pod vedením profesorky Myriam P. Sarachikové. Vědci k pokusům použili krystal Mn₁₂ acetátu. Jde o mimořádně zajímavou látku, která je typickým molekulárním magnetem složeným z magnetických molekul [Mn₁₂O₁₂(CH₃COO)₁₆(H₂O)₄]·2CH₃COOH·4H₂O, které za nízkých teplot vytvářejí magnetické clustery se spinemSpin – vlastní rotační moment částice. Přirozeným způsobem se skládá s momentem hybnosti. Každá částice s nenulovým spinem se chová jako malý magnetický dipól μ, který reaguje na vnější magnetická pole. Původ spinu je v symetrii rovnic vzhledem k Lorentzově transformaci. 10. Clustery Mn₁₂ jsou uspořádány do čtverečné krystalické mřížky. Výsledný krystal je magneticky silně anizotropní. Při experimentech byl krystalek o velikosti cca 1 mm ponořen do kapalného hélia He 3 o teplotě 250 mK. Ve směru delší osy krystalu (osa c) bylo působeno magnetickým polem, které periodicky měnilo svou hodnotu od −6 T do +6 T. Na boku krystalku bylo 11 Hallových magnetických senzorů měřících složku pole kolmou na delší osu krystalu. Nenulovost této složky znamená překlápění spinů v daném měřícím bodě. Za těchto podmínek se tu a tam objeví magnetická lavina, která postupuje krystalem a překlápí spiny do opačného směru. V okamžiku objevení se laviny bylo vnější pole odpojeno. Rychlost laviny byla měřena v rozmezí 1÷15 m/s. Rychlost šíření laviny závisela na hodnotě magnetického pole v okamžiku vzniku laviny.

Záznam průchodu magnetické laviny sedmi magnetickými senzory. Zdroj CCNYCCNY – City College of New York, jedna z fakult univerzity CUNY (City University of New York)..

V experimentech byla prokázána souvislost magnetických lavin s tepelnými ději. Šířící se lavina generuje v krystalu měřitelné teplo. Naměřeno bylo také elektromagnetické záření generované při pohybu laviny. Dosud není jasné, zda je toto záření tepelné povahy. Autoři experimentů poukazují na to, že šířící se magnetická lavina má obdobné vlastnosti jako šířící se požár. Zanechává za sebou látku změněnou do jiné podoby. Obdobné jsou i jevy výbuchu chemické trhaviny. Mezi oběma situacemi je však podstatný rozdíl. Zatímco šíření požáru či detonační vlny přináší nevratné změny látky, jsou experimenty s magnetickými lavinami opakovatelné a nedestruktivní. Ty by mohlo v budoucnosti možná znamenat jejich využití při simulacích požárů a výbuchů.

Bonus: Animace „Magnetická lavina“

Feromagnetika jsou známa tím, že je pro ně výhodné, aby dva sousední magnetické momenty (zpravidla spiny) zaujímaly shodnou polohu. Za nízkých teplot proto magnetické momenty vytvářejí tzv. Weissovy domény – oblasti shodně orientovaných momentů. Za vysokých teplot dominuje chaotické uspořádání. Při postupném zvyšování teploty dojde k fázovému přechodu mezi oběma fázemi při tzv. Curieově teplotě. Na animaci vidíte uspořádanou nízkoteplotní fázi, ve kterém se posouvá hranice mezi dvěma Weissovými doménami s opačně orientovanými magnetickými momenty. Vzniká tak efekt laviny, která způsobuje překlápění momentů a postupnou změnu orientace momentů v celém krystalu.

Odkazy