Лантаноиды: магнитные секреты редкоземельных металлов
Лантаноиды — семейство 15 химических элементов, которые находятся в шестом периоде периодической таблицы. Они также называются редкоземельными металлами, хотя на самом деле они не такие уж и редкие. Лантаноиды обладают уникальными магнитными, спектроскопическими и люминесцентными свойствами, которые делают их востребованными в различных областях науки и техники. Недавно физики из России и Европы сделали новое открытие, связанное с магнитным поведением лантаноидов в тонкопленочных монокристаллических соединениях.
Лантаноиды — элементы с атомными номерами от 57 до 71, от лантана до лютеция. Их название происходит от греческого слова «лантанейн», что означает «скрываться». Действительно, эти элементы долго оставались незамеченными химиками из-за их сходства с другими металлами и сложности разделения. Первый лантаноид — церий — был обнаружен в 1803 году в минерале церите, а последний — лютеций — в 1907 году в минерале гадолините.
Все лантаноиды имеют неполностью заполненную 4f-подоболочку, которая определяет их химические и физические свойства. Эти подоболочки хорошо экранированы внешними электронами, поэтому лантаноиды имеют похожие степени окисления (+3) и слабо различаются по размеру. Это явление называется лантаноидным сжатием. Однако лантаноиды не одинаковы по своей магнитной природе. Некоторые из них являются ферромагнетиками (например, гольмий), другие — антиферромагнетиками (например, диспрозий), а третьи — парамагнетиками (например, лутеций).
Магнитные свойства лантаноидов зависят от количества неспаренных электронов на 4f-подоболочке и от направления их спинов. Спины электронов могут быть параллельны или антипараллельны друг другу, что приводит к различным видам магнитного упорядочения. Кроме того, спины электронов могут быть ориентированы по-разному относительно оси кристалла, что называется наклоном магнитного момента. Этот наклон может меняться в зависимости от температуры, давления, электрического или магнитного поля.
Именно этот наклон магнитного момента стал предметом исследования физиков из МФТИ и СПбГУ, совместно с коллегами из Германии, Испании и Баскского фонда науки. Они разработали новый метод определения направления магнитного момента атомов лантаноидов в тонкопленочных монокристаллических соединениях. При помощи спектра фотоэмиссии они исследовали приповерхностные индивидуальные слои кристаллов.
Фотоэмиссия — явление, при котором электроны выбиваются из атомов под действием света. Спектр фотоэмиссии — распределение энергии этих электронов. Этот спектр зависит от состояния атомов в кристалле, в том числе от их магнитных свойств. Исследователи использовали рентгеновское излучение для возбуждения электронов 4f-подоболочки лантаноидов и измеряли их спектры при разных температурах.
Основными объектами исследования были кристаллы гольмия и диспрозия — двух лантаноидов с разными типами магнитного упорядочения. Гольмий является ферромагнетиком, а диспрозий — антиферромагнетиком. У обоих элементов наблюдается наклон магнитного момента при низких температурах. Исследователи обнаружили, что при температуре 11,5 К интенсивность спектров фотоэмиссии резко меняется для некоторых энергетических уровней электронов. Это свидетельствует о том, что в этой точке происходит изменение наклона магнитного момента.
Для объяснения этого явления ученые построили две модели: одна описывала параметры кристаллического поля в объеме кристалла, а другая — в приповерхностном слое. Оказалось, что только вторая модель полностью соответствует экспериментальным данным. Это означает, что направление магнитных моментов в объеме и на поверхности кристалла отличается друг от друга.
Это исследование открывает новые перспективы для контроля над магнитными свойствами лантаноидных материалов. Такие материалы имеют широкое применение в разных отраслях. Например, лантаноиды используются как добавки к сталям, чугунам и другим сплавам для улучшения их стойкости и жаропрочности. Лантаноиды применяют для создания мощных постоянных магнитов, которые нужны для электродвигателей, генераторов, датчиков, динамиков и других устройств. Лантаноиды также используются для создания люминесцентных материалов, которые светятся под воздействием ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Такие материалы применяются в лазерах, оптическом волокне, экранах и лампах. Кроме того, лантаноиды используют для создания катализаторов, которые ускоряют химические реакции. Такие катализаторы применяются в нефтехимии, синтезе органических соединений и очистке выхлопных газов.
Таким образом, лантаноиды — удивительные элементы, которые скрывают в себе множество магнитных секретов. Изучение их свойств позволяет создавать новые материалы и технологии, которые имеют большое значение для науки и промышленности. Открытие российских и европейских физиков — еще один шаг на пути к пониманию и контролю над магнитными явлениями в лантаноидных соединениях.
Лантаноиды — элементы с атомными номерами от 57 до 71, от лантана до лютеция. Их название происходит от греческого слова «лантанейн», что означает «скрываться». Действительно, эти элементы долго оставались незамеченными химиками из-за их сходства с другими металлами и сложности разделения. Первый лантаноид — церий — был обнаружен в 1803 году в минерале церите, а последний — лютеций — в 1907 году в минерале гадолините.
Все лантаноиды имеют неполностью заполненную 4f-подоболочку, которая определяет их химические и физические свойства. Эти подоболочки хорошо экранированы внешними электронами, поэтому лантаноиды имеют похожие степени окисления (+3) и слабо различаются по размеру. Это явление называется лантаноидным сжатием. Однако лантаноиды не одинаковы по своей магнитной природе. Некоторые из них являются ферромагнетиками (например, гольмий), другие — антиферромагнетиками (например, диспрозий), а третьи — парамагнетиками (например, лутеций).
Магнитные свойства лантаноидов зависят от количества неспаренных электронов на 4f-подоболочке и от направления их спинов. Спины электронов могут быть параллельны или антипараллельны друг другу, что приводит к различным видам магнитного упорядочения. Кроме того, спины электронов могут быть ориентированы по-разному относительно оси кристалла, что называется наклоном магнитного момента. Этот наклон может меняться в зависимости от температуры, давления, электрического или магнитного поля.
Именно этот наклон магнитного момента стал предметом исследования физиков из МФТИ и СПбГУ, совместно с коллегами из Германии, Испании и Баскского фонда науки. Они разработали новый метод определения направления магнитного момента атомов лантаноидов в тонкопленочных монокристаллических соединениях. При помощи спектра фотоэмиссии они исследовали приповерхностные индивидуальные слои кристаллов.
Фотоэмиссия — явление, при котором электроны выбиваются из атомов под действием света. Спектр фотоэмиссии — распределение энергии этих электронов. Этот спектр зависит от состояния атомов в кристалле, в том числе от их магнитных свойств. Исследователи использовали рентгеновское излучение для возбуждения электронов 4f-подоболочки лантаноидов и измеряли их спектры при разных температурах.
Основными объектами исследования были кристаллы гольмия и диспрозия — двух лантаноидов с разными типами магнитного упорядочения. Гольмий является ферромагнетиком, а диспрозий — антиферромагнетиком. У обоих элементов наблюдается наклон магнитного момента при низких температурах. Исследователи обнаружили, что при температуре 11,5 К интенсивность спектров фотоэмиссии резко меняется для некоторых энергетических уровней электронов. Это свидетельствует о том, что в этой точке происходит изменение наклона магнитного момента.
Для объяснения этого явления ученые построили две модели: одна описывала параметры кристаллического поля в объеме кристалла, а другая — в приповерхностном слое. Оказалось, что только вторая модель полностью соответствует экспериментальным данным. Это означает, что направление магнитных моментов в объеме и на поверхности кристалла отличается друг от друга.
Это исследование открывает новые перспективы для контроля над магнитными свойствами лантаноидных материалов. Такие материалы имеют широкое применение в разных отраслях. Например, лантаноиды используются как добавки к сталям, чугунам и другим сплавам для улучшения их стойкости и жаропрочности. Лантаноиды применяют для создания мощных постоянных магнитов, которые нужны для электродвигателей, генераторов, датчиков, динамиков и других устройств. Лантаноиды также используются для создания люминесцентных материалов, которые светятся под воздействием ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Такие материалы применяются в лазерах, оптическом волокне, экранах и лампах. Кроме того, лантаноиды используют для создания катализаторов, которые ускоряют химические реакции. Такие катализаторы применяются в нефтехимии, синтезе органических соединений и очистке выхлопных газов.
Таким образом, лантаноиды — удивительные элементы, которые скрывают в себе множество магнитных секретов. Изучение их свойств позволяет создавать новые материалы и технологии, которые имеют большое значение для науки и промышленности. Открытие российских и европейских физиков — еще один шаг на пути к пониманию и контролю над магнитными явлениями в лантаноидных соединениях.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...