Атомы «дышат», материя меняет форму: Забытая теория 100-летней давности оказалась верна

Представьте себе, что вы легонько дунули на карточный домик, а он в ответ не рассыпался, а подпрыгнул до потолка. Примерно такое же удивление испытали учёные из Сент-Эндрюсского университета, когда обнаружили, что крошечное изменение в магнетизме материала способно вызвать его поразительное, почти драматическое растяжение. Это открытие не просто впечатляет — оно вдыхает новую жизнь в теорию почти столетней давности и намекает на будущую революцию в хранении данных и энергетике.

А что, собственно, произошло?

В центре внимания исследователей оказался скромный на вид материал — оксид переходного металла. Такие соединения лежат в основе многих современных технологий, включая, например, знаменитые высокотемпературные сверхпроводники. Учёные решили изучить его реакцию на магнитное поле, а именно — магнитоупругое взаимодействие.

Звучит сложно, но суть проста. Это явление описывает, как материал меняет свою форму или размер под действием магнетизма. Обычно этот эффект едва заметен. Скажем, если поднести мощный магнит к куску железа, он не начнёт на глазах растягиваться, как резина. Изменения, как правило, микроскопические.

Но в этот раз всё было иначе. Когда физики управляли магнитными моментами — крошечными внутренними «компасами» атомов — на поверхности материала, они зафиксировали нечто невероятное. Материал отреагировал аномально сильно: он либо сжимался, либо растягивался на величину, которая превзошла все теоретические ожидания. Это и есть тот самый «прыгнувший до потолка карточный домик» — неожиданно мощная реакция на едва заметное воздействие.

Заглянуть за грань: точность на грани фантастики

Чтобы увидеть этот эффект, потребовались поистине ювелирные инструменты и условия. Исследование проводилось в лаборатории со сверхнизким уровнем вибрации, где любой посторонний звук или даже проехавший по улице грузовик мог бы испортить эксперимент.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа, охлаждённого до сверхнизких температур, команда смогла измерить изменения с субпикометровым разрешением. Чтобы понять масштаб: пикометр — это одна триллионная доля метра. Радиус атома примерно в сто раз больше! Учёные буквально смогли «почувствовать», как кристаллическая решётка материала дышит, реагируя на переключение магнитных состояний.

В чём же фокус? Оказалось, всё дело во взаимном расположении магнитных моментов на поверхности материала и в слоях чуть глубже. Когда эти «компасы» смотрели в одну сторону (были параллельны), материал имел один размер. Когда их заставляли смотреть в противоположные стороны (антипараллельно) — он менял свою геометрию. И именно эта деформация оказалась на удивление большой.

Привет из 1930-х: когда старая теория снова в деле

Самое изящное в этой истории — её связь с фундаментальной наукой прошлого. Результаты эксперимента идеально легли на кривую Бете-Слэтера. Эту концепцию физики Ганс Бете и Джон Слэтер предложили ещё в 1930-х годах, чтобы описать простую связь: как расстояние между атомами в металле влияет на их магнитные свойства.

Представьте, это как старое дедушкино правило, которое объясняло поведение простых железных сплавов. Никто не ожидал, что оно будет работать для сложного, современного оксида, где взаимодействия между электронами куда запутаннее. А оно сработало! Это тот редкий и красивый момент в науке, когда фундаментальный принцип, открытый почти век назад, доказывает свою универсальность в совершенно новой области.

Однако здесь есть интригующий поворот. Кривая Бете-Слэтера верно предсказала характер зависимости, но не её силу. Наблюдаемая деформация оказалась намного больше, чем предсказывают современные, более сложные модели. Это значит, что наше текущее понимание этих процессов неполно. В сложном танце электронов, атомов и магнетизма есть какие-то важные детали, которые мы до сих пор упускали.

Почему это важно для всех нас?

Это исследование — не просто удовлетворение научного любопытства. У него есть два очень практических и многообещающих выхода.

1. Революция в хранении данных. Сегодня для считывания информации с жёстких дисков используются сложные магнитные головки. А что, если вместо этого мы сможем считывать данные, просто измеряя крошечную деформацию материала или связанное с ней изменение электрического сопротивления? Открытие показывает, что магнитное состояние (условные «ноль» или «единица») оставляет отчётливый структурный и электронный след. Это может привести к созданию более быстрых, компактных и энергоэффективных запоминающих устройств.
2. Путь к «зелёным» технологиям. Оксиды переходных металлов — это целое семейство материалов с удивительными свойствами. Глубокое понимание связи между их структурой, электроникой и магнетизмом — это ключ к разгадке одной из главных тайн современной физики: высокотемпературной сверхпроводимости. Если мы научимся делать сверхпроводники более стабильными и работающими при более высоких температурах, это произведёт переворот в энергетике — от линий электропередач без потерь до сверхмощных компьютеров.

Таким образом, маленькое открытие, сделанное в тишине виброизолированной лаборатории, отзывается эхом сквозь десятилетия научной мысли и обещает громкие технологические прорывы в будущем. Иногда, чтобы сделать шаг вперёд, нужно просто очень внимательно прислушаться к шёпоту атомов.