Теперь сотрудничество между исследователями-теоретиками из TU Wien (Вена) и экспериментаторами из Пекинского университета науки и техники привело к решающему прорыву: используя сложное компьютерное моделирование, стало возможным детально понять эффект инвара и, таким образом, разработать так называемый пирохлорный магнит - сплав, который обладает еще более высокой прочностью. лучшие свойства по тепловому расширению, чем у инвара. В чрезвычайно широком диапазоне температур, превышающем 400 градусов по Кельвину, его длина изменяется всего примерно на одну десятитысячную процента на Кельвин.

Тепловое расширение и его антагонист

"Чем выше температура в материале, тем больше атомы стремятся двигаться, а когда атомы движутся сильнее, им требуется больше пространства. Среднее расстояние между ними увеличивается", - объясняет доктор Сергей Хмелевский из исследовательского центра Венского научного кластера (VSC) при Венском университете. "Этот эффект лежит в основе теплового расширения и не может быть предотвращен. Но можно производить материалы, в которых это почти точно уравновешивается другим, компенсирующим эффектом".

Сергей Хмелевский и его команда разработали сложное компьютерное моделирование, которое может быть использовано для анализа поведения магнитных материалов при конечной температуре на атомном уровне. "Это позволило нам лучше понять причину, по которой инвар практически не расширяется", - говорит Хмелевский. "Эффект обусловлен тем, что определенные электроны меняют свое состояние с повышением температуры. Магнитный порядок в материале уменьшается, что приводит к сжатию материала. Этот эффект почти в точности сводит на нет обычное тепловое расширение."

Уже было известно, что магнитный порядок в материале ответственен за эффект инвара. Но только с помощью компьютерного моделирования, проведенного в Вене, стало возможным настолько точно понять детали этого процесса, что можно было делать прогнозы для других материалов. "Впервые появилась теория, которая может дать конкретные прогнозы для разработки новых материалов с исчезающим тепловым расширением", - говорит Сергей Хмелевский.

Пирохлорный магнит с плоскостями Кагоме

Чтобы проверить эти предсказания на практике, Сергей Хмелевский работал вместе с экспериментальной группой проф. Сяньрань Син и задница. Профессор. Йили Цао из Института химии твердого тела Пекинского университета науки и техники. Теперь представлен результат этого сотрудничества: так называемый пирохлорный магнит.

В отличие от предыдущих инварных сплавов, которые состоят только из двух разных металлов, пирохлорный магнит состоит из четырех компонентов: циркония, ниобия, железа и кобальта. "Это материал с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур", - говорит Йили Цао.

Такое замечательное температурное поведение связано с тем фактом, что пирохлорный магнит не имеет идеальной структуры решетки, которая всегда повторяется точно таким же образом. Состав материала не везде одинаков, он неоднороден. В некоторых областях кобальта содержится немного больше, в некоторых - немного меньше. Обе подсистемы по-разному реагируют на изменения температуры. Это позволяет точечно сбалансировать детали состава материала таким образом, чтобы общее температурное расширение было практически равным нулю.

Этот материал может представлять особый интерес в областях применения с экстремальными колебаниями температуры или точными методами измерений, например, в авиации, аэрокосмической промышленности или высокоточных электронных компонентах.