WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 5 Магнитопластичность твердых тел (Обзор) © Ю.И. Головин Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, 392622 Тамбов, Россия E-mail: golovin@tsu.tmb.ru (Поступил в Редакцию 28 мая 2003 г.

В окончательной редакции 4 августа 2003 г.) Представлен обзор работ, посвященных исследованиям влияния слабых магнитных полей на структуру и механические свойства немагнитных твердых тел различной природы (ионные, ковалентные, молекулярные и металлические кристаллы, полимеры и др.). Проведена классификация и критический анализ обнаруженных в течение последних 15 лет разнообразных эффектов и постэффектов, инициируемых постоянным, импульсным и СВЧ магнитными полями. Обсуждаются термодинамические и кинетические аспекты магниточувствительности реальных твердных тел со структурными дефектами, содержащими парамагнитные центры (электроны, дырки, радикалы, экситоны и т. п.). Рассмотрены возможные механизмы действия слабого магнитного поля на дефектную структуру кристаллов. Особое внимание уделено наиболее разработанной в химической физике теории спин-зависимых реакций между подвижными частицами с неспаренными электронами. Предложены схемы интерпретации магнитопластических эффектов, учитывающие спиновую, электронную, молекулярную и дислокационную динамику сложных многостадийных процессов, инициируемых магнитным полем в системе метастабильных структурных дефектов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-0217571 и № 01-02-16573), Минобразования (грант № E 02-3.4-263), ФЦП „Фундаментальные исследования, Университеты России“ (грант № УР. 01.01.013) и ФЦП „Фуллерены и атомные кластеры“ (грант № 541-02).

Содержание Введение Введение О влиянии магнитного поля (МП) на свойства „маг1. Влияние слабых магнитных полей на физико-механичес- нитных“ материалов (магнитоупорядоченных, в более кие характеристики реальных диамагнитных кристаллов.

строгой терминологии) известно несколько тысяч лет;

1.1. Депининг дислокаций в магнитном поле.

сегодня оно находит последовательное объяснение в 1.2. Подвижность индивидуальных дислокаций.

рамках квантовой теории магнетизма [1]. Возможность 1.3. Внутреннее трение.

значительного изменения макрохарактеристик „немаг1.4. Макропластичность, твердость.

нитных“ твердых тел (пара- и диамагнетиков, характе1.5. Разрушение.

ризующихся разупорядоченной магнитной структурой) 2. Комбинированные и родственные явления, стимулируев слабых1 МП совсем не очевидна и часто подвергается мые в твердых телах магнитным полем.

сомнению, несмотря на значительное число публикаций, 2.1. Электромагнитопластичность.

в которых описываются разнообразные „магнитные“ 2.2. Фотомагнитопластичность.

эффекты в них.

2.3. Радиационно-магнитопластические эффекты.

Вместе с тем слабое МП — один из факторов 2.4. Магнитопластичность в сильных магнитных полях.

окружающей среды, непрерывно воздействующий на 2.5. Влияние магнитного поля на фазовые превращения.

все процесы на Земле и требующий инженерного и 2.6. Микроструктура, немеханические структурно-чувствисанитарного нормирования, основанного на ясных физительные свойства.

ческих представлениях и достоверных фактах [2]. Кроме 3. Природа магниточувствительности немагнитных материалов. природного, МП может иметь и техногенное происхо3.1. Основные трудности интерпретации магнитопластиче- ждение, специально создаваться как оружие подавлеских эффектов.

ния технических средств противника и сопутствовать 3.2. Спин-зависимые процессы в твердых телах.

применению мощных взрывных устройств (в частности, 3.3. Пластическое течение как внутрикристаллическая химиядерных). Наконец, МП является исключительно эфческая реакция.

фективным средством исследования тонкой структуры 3.4. Теория спин-зависимого депиннинга дислокаций.

В дальнейшем под слабыми будут подразумеваться МП, в ко3.5. Магниторезонансное разупрочнение примесных ионных тором выполняется условие µBB kT, а для металлов — еще и кристаллов.

= Be/m c (здесь µB — магнетон Бора, B — индукция МП, 3.6. Другие возможные механизмы.

k — постоянная Больцмана, — циклотронная частота, e и m — Заключение заряд и масса электрона, c — частота столкновений электрона с рассеивающими центрами).

Список литературы 1 770 Ю.И. Головин вещества методами ЭПР, ЯМР, ДЭЯР и других видов ферромагнетиками [26–31]) МП не являлось „слабым“ магниторезонансной спектроскопии, где, напротив, необ- и полученные экспериментальные результаты нашли ходимо быть уверенным в отсутствии существенного объяснение в рамках теории изменения вязкости элеквлияния зондирующего поля на процессы в исследу- тронного газа и электрон-дислокационного трения в приемом объекте. Аналогичная задача стоит при созда- сутствии МП. Заметим, что сейчас эти интерпретации не нии ряда высокочувствительных физических установок могут считаться исчерпывающими, тем более что они не (например, гравитационных антенн) и интерпретации всегда безупречно согласуются с экспериментом.

полученных на них результатов. В этих случаях необ- Ряд авторов ставил обратную задачу и пытался обнаходимо учитывать возможность влияния на работу и ружить сам факт, а потом установить закономерности показания прецизионных измерительных приборов сла- влияния пластической деформации и дислокационной бых МП, а также их вариаций, способных изменить структуры на магнитные свойства полупроводников [48], физико-механические характеристики элементов подвес- переходных металлов [49–52] и ионных кристаллов [53].

ки, электро-механических резонаторов, маятников и т. п. Насколько нам известно, результаты последней рабоВсе это делает совершенно необходимым знание всех ты, широко обсуждавшейся в свое время (см. напривозможных каналов и последствий действия слабого МП мер [54,55]), никому впоследствии воспроизвести не удана структуру и свойства не только магнитоупорядочен- лось. В отношении работ [33,34] также высказывались ных, но и немагнитных твердых тел. серьезные критические замечания, поскольку, как было Широко распространено мнение, что слабое МП показано в [56], большое влияние на результат оказы(а при комнатной температуре TR лабораторные поля вало действие МП на подвижные части испытательной с B 10 T для немагнитных материалов являются сла- машины (несмотря на то, что они были изготовлены из быми) в принципе не в состоянии существенно (для неферромагнитной аустенитной стали). После того как практики) повлиять на структуру и свойства немаг- эти аппаратурные эффекты были учтены и устранены, нитных твердых тел. Действительно, в термодинами- регистрируемые магнитопластические отклики остались, чески равновесных системах в обычно используемом но упали едва ли не на порядок величины.

поле B 1 T можно рассчитывать лишь на эффекты В 1987 г. появилась работа В.И. Альшица с сотруд(µBB/kTR) 10-3, что значительно меньше типичных никами [57], сразу же привлекшая большое внимание.

погрешностей измерений при исследовании механиче- В ней описывалось парадоскальное на первый взгляд ских свойств. В этой связи ранние эпизодические попыт- явление — стимулирование движения дислокаций в ки обнаружить влияние МП на структуру [3–8] и физико- монокристаллах NaCl, введенных слабым ударом, постомеханические характеристики [9–12] диамагнитных кри- янным МП с B < 1 T в отсутствие какой-либо внешней сталлов не привлекли большого внимания, а полученные нагрузки. Поскольку опыты проводились при комнатв этих работах результаты не вызвали доверия у боль- ной температуре (как и большинство описываемых в шинства специалистов, скорее, склонных расценивать обзоре), МП удовлетворяло критериям „слабости“, что их как артефакты. Наряду с этим в 60–80-е годы заставляло самих авторов относиться к обнаруженному прошлого века был обнаружен ряд магнитных эффектов эффекту с большой осторожностью.

в люминесцентных [13–15], фотоэлектрических [16–19] Однако впоследствии авторами [57], а затем рядом и радиоспектроскопических [20–25] исследованиях раз- других независимых групп существование подобных эфличных диамагнитных кристаллов, реальность которых фектов было подтверждено не только в NaCl, но и в была многократно подтверждена независимыми иссле- других материалах —LiF, KCl, KBr, CsI, InSb, Al, Zn, дованиями. Si, NaNO2, ZnS, C60, полимерах и т. д. (см. раздел 1).

По-видимому, исторически первыми работами по маг- Кроме того, было обнаружено множество родственных нитопластичности, которые не вызывали сомнений с явлений, сводящихся к существенному влиянию МП на точки зрения достоверности и надежности описываемых различные физико-механические и другие структурнов них результатов и допускали интерпретацию в ясных чувствительные характеристики немагнитных материафизических терминах, были [26–31]. В них влияние лов (см. раздел 2). Использовались постоянные, перепостоянного или низкочастотного переменного МП на менные, импульсные и микроволновые МП, практически подвижность дислокаций и макропластичность в ферро- весь арсенал методик исследования микроструктуры и магнетиках объяснялось вазимодействием дислокаций с механических свойств (рис. 1), различные виды нагруграницами доменов, движущимися при намагничивании жения и температурные диапазоны.

или перемагничивании. Примерно в это же время после С точки зрения временных характеристик все обна теоретической работы В.Я. Кравченко [32] началось руженные магнитопластические эффекты (МПЭ) можинтенсивное экспериментальное [33–42] и теоретиче- но разбить на три основные группы: проявляющиеся ское [43,44] исследование влияния МП с B 5-10 T только во время действия МП и эффекты длительного на пластичность чистых диамагнитных металлов при последействия, которые в свою очередь могут быть гелиевых температурах. В [45–47] даны обзоры боль- полностью необратимыми или медленно релаксировать шого числа работ этого направления. Заметим, что в со временем (рис. 2). Иногда наблюдались и более сложэтих экспериментальных работах (как и в опытах с ные временные зависимости отклика на действие МП:

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Магнитопластичность твердых тел количество работ, не всегда удовлетворяющих нормам естественных наук (достаточно вспомнить „омагниченную воду“), а нередко имевших и откровенно спекулятивный характер. В результате скептическое отношение к возможности действия слабых МП на немагнитные вещества зачастую распространяется и на другие, небиологические объекты.

Ввиду короткой истории исследования магнитопластичности в слабых МП пока отсутствуют монографии по этой тематике и имеется лишь несколько небольших обзоров [62–65], в основном собственных работ их авторов, концентрирующих внимание на тех или иных аспектах этой проблемы. Настоящий обзор также не Рис. 1. Количество публикаций по МПЭ за последние 10 лет претендует на полноту (хотя бы из-за ограниченного в различных диапазонах относительной деформации.

объема), но ставит цель привлечь внимание специалистов к наиболее ярким и безусловно надежным данным, полученным в последние годы несколькими независимыми группами. Представляется, что эти результаты открывают новую главу в физике пластичности, в которой рассмотрение ее фундаментальных основ необходимо проводить на новом иерархическом уровне — спин-электронном и, возможно, даже на спин-ядерном.

1. Влияние слабых магнитных полей Рис. 2. Три основных типа поведения немагнитных матена физико-механические риалов в МП: 1 — in situ эффекты, 2 — необратимые характеристики реальных постэффекты, 3 — последействие с медленной релаксацией.

диамагнитных кристаллов Физико-механические свойства твердых тел определяс латентным периодом после отключения МП, немоноются упругими характеристиками и процессами неупрутонные и даже знакопеременные.

гости, которые протекают на различных иерархических Эти и другие термодинамические и кинетические уровнях структуры: атомарном, дислокационном, мезоособенности наблюдавшихся МПЭ дали основание счиструктурном и макроскопическом. Для изменения метать, что неравновесность, существующая в кристалле ханических свойств идеального немагнитного кристалла исходно или непрерывно подпитываемая извне тем или необходимы очень высокие магнитные поля ( 100 T).

иным способом (нагружением, освещением, облучением Лишь в редких случаях, например, в некоторых меи др.), является необходимым и важнейшим фактором, таллах (Bi, Be, Al, Nb и др.), окислах и сплавах с обеспечивающим высокую чувствительность дефектной небольшим перекрытием зон или узкой щелью межструктуры к внешним или внутренним МП. Заметим, что ду ними ( U 10-2 eV), магнитная энергия Um µBB в системах, находящихся вдали от термодинамического становится больше U при B 10 T, т. е. достигается равновесия, возникновение больших откликов на малые „квантовый предел“. Тогда при гелиевых температурах внешние возмущения не противоречит общим принциможно наблюдать так называемый „магнитный пробой“, пам термодинамики.

который может повлиять на термодинамически равноВ настоящее время в реальности подобных эффектов весные свойства немагнитного кристалла [66], в том сомневаться не приходится. Возникает серия вопросов, числе и механические.

касающихся их природы. Пока не ясно даже, один меха- В обзоре не обсуждаются эти интересные аспекты низм или несколько разных определяют закономерности действия МП на слабомагнитные материалы в прибливлияния МП на механическое поведение материалов с жении идеальной кристаллической решетки. Он посвяразличным типом связи, дефектной структурой и т. п. щен в основном влиянию гораздо более слабых МП на Отчасти ситуация напоминает сложившуюся в магни- структурочувствительные характеристики неупругости, тобиологии: несмотря на то, что сам факт влияния которые определяются главным образом номенклатурой слабого МП на разнообразные живые организмы и структурных дефектов, их подвижностью и характером процессы в них к настоящему времени установлен взаимодействия. Очевидно, слабое МП способно подейдостаточно надежно весьма тонкими и современными ствовать на свойства немагнитных кристаллов именно методами [58–61], механизмы такого влияния остаются благодаря наличию в них структурных дефектов. Поэтодискуссионными. В этой области проведено гигантское му в дальнейшем рассматриваются результаты, направ1 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 772 Ю.И. Головин ленные на выяснение влияния МП на динамику дефектов, определяющих неупругое поведение, — дислокаций и малоатомных комплексов, препятствующих движению дисклокаций в плоскостях легкого скольжения. В зависимости от величины достигаемой деформации и структурно-иерархического уровня ее анализа используются различные методики исследования, в соответствии с чем и структурированы имеющиеся экспериментальные данные.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.