Новости

12 января, 2023 18:45

Казанские ученые первыми в России вырастили кристалл LIGDF4 с заданными магнитными свойствами

Ученые Института физики подведомственного Минобрнауки России Казанского федерального университета (КФУ) впервые в России синтезировали литиевый тетрафторид гадолиния (LiGdF4). Перспективный материал с заданными магнитными свойствами может применяться в тех сферах, где необходимо создавать и поддерживать очень низкие и сверхнизкие температуры, например, при создании лазеров, квантовых компьютеров и космических инфракрасных телескопов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в одном из ведущих научных журналов.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России
Проблема производства безопасных, экологичных и экономичных холодильных установок остается актуальной и привлекает внимание научных коллективов по всему миру. В современных «холодильниках» возможно вытекание рабочих газов, что приводит к поломке установки и негативно сказывается на окружающей среде. Среди разнообразия альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, ученые считают перспективным использование систем магнитного охлаждения.  

Соединения Gd относят к веществам, которые могут потенциально обладать подобными свойствами. В лаборатории магнитной радиоспектроскопии им. С.А. Альтшулера кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ ученые вырастили и детально изучили кристалл LiGdF4. 
«Литиевый тетрафторид гадолиния используется как резервуар, спиновая подсистема которого при адиабатическом выключении магнитного поля отбирает тепло у решетки кристалла, в результате чего система охлаждается», – объяснила Ирина Романова, заместитель директора по научной деятельности, доцент кафедры общей физики, инженер научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ. 
Сейчас выращиванием монокристаллов LiGdF4 в лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники КФУ занимаются Стелла Кораблева, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий КФУ, и Олег Морозов, младший научный сотрудник кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии КФУ. Кристаллическая структура LiRF4 близка к структуре шеелита. Выращивание соединений подобной структуры – это весьма сложный технологий процесс, требующий высокой очистки реактивов от примеси кислорода и влаги, жесткого фторирования, нестандартной конфигурации теплового узла, строгого соблюдения технологического режима и многочисленных «ноу-хау».

Исследователи из КФУ пояснили, что для синтезирования кристаллов LiREF4 (как и для других фторидов, выращиваемых из расплава) в основном применяются методы Бриджмена–Стокбаргера и Чохральского. Ученые КФУ использовали метод Бриджмена–Стокбаргера для получения кристаллов, поскольку он аппаратурно более простой и экономичный, чем метод Чохральского. Метод Бриджмена–Стокбаргера позволяет выращивать кристаллы нужного для исследований размера в течение одной недели из небольшого объема шихты – требуется всего несколько граммов. Выращивание кристалла осуществлялось на ориентированную затравку в форме, предназначенной для плавления металлов, – графитовом тигле специально разработанной конструкции. 

Исследователи отмечают, что двойные фториды выращенного кристалла являются эффективными многофункциональными материалами квантовой электроники. Значительный интерес представляют и магнитные свойства LiGdF4, в том числе низкотемпературные фазовые переходы. Исследованием нового соединения ученые КФУ занимаются вместе с коллегами из Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН: старшими научными сотрудниками Сергеем Сосиным и Василием Глазковым. 
«Фториды редкоземельных элементов лития LiREF4 представляют собой семейство магнитных материалов с доминирующим дипольным взаимодействием. На их магнитные свойства могут существенно влиять и одноионная анизотропия, и обменные взаимодействия между магнитными редкоземельными ионами. Это влияние особенно заметно в наиболее изотропном члене семейства LiGdF4, который не проявляет магнитного упорядочения вплоть до диапазона в несколько сотен милликельвинов», – рассказал Руслан Батулин, ведущий научный сотрудник НИЛ Квантовые симуляторы, доцент кафедры общей физики Института физики КФУ.
Ученый добавил, что кристаллы LiGdF4 представляются многообещающими материалами для систем охлаждения с адиабатическим размагничиванием из-за высокого изменения объемной энтропии, которое, в свою очередь, связано с высокой плотностью ионов Gd.
«Основным преимуществом таких систем на основе магнитокалорического эффекта LiGdF4 является возможность получить низкие температуры в интервале 10 К - 4 К с мощностью охлаждения до 100 мВт. Такие материалы имеют большое практическое значение, например, в качестве ступени охлаждения будущих космических инфракрасных телескопов с криоохлаждением (SAFIR)», – пояснил Руслан Батулин. 
Исследование подтвердили, что монокристалл LiGdF4 может использоваться для создания усиленного магнитокалорического эффекта и магнитного охлаждения до температур около 100 милликельвинов (порядка -273 градусов Цельсия).
20 мая, 2024
Препарат для персонализированной терапии опухолевых заболеваний создали ученые ННГУ
Ученым ННГУ им. Н. И. Лобачевского удалось соединить внутри одного препарата несколько действующих...
20 мая, 2024
Соли уксусной кислоты упростят добычу тяжелой нефти
Ученые выяснили, что ацетаты — соли уксусной кислоты с переходными металлами — в комбинации с парово...