Новые устройства тепловой магнитной записи станут результатом фундаментальных исследований физиков ЧелГУ

​Группа физиков Челябинского государственного университета под руководством профессора кафедры физики конденсированного состояния физического факультета ЧелГУ Василия Бучельникова занимается исследованием структуры, свойств и фазовой стабильности сплавов на основе железа и родия. 

В последние годы во всём мире существенно возрос интерес научного сообщества к сплавам на основе Fe-Rh. Это связано, прежде всего, с тем, что они, будучи легированными различными элементами, предоставляют самые разные возможности для практического применения – в частности, в устройствах магнитного охлаждения, магнитной записи и спинтроники. Это обусловлено тем, что сплавы на основе Fe-Rh обладают рекордно большими значениями магнитокалорического эффекта среди всех исследованных соединений.

Перспективное направление применения сплавов Fe–Rh – использование их в технологии тепловой магнитной записи (HAMR), которая позволит значительно увеличить плотность записи цифровой информации. И это направление входит в сферу интересов физиков ЧелГУ.

«На сегодняшний день HAMR – технология, которая позволяет повысить плотность записи дисковых накопителей, – комментирует доцент кафедры радиофизики и электроники физического факультета ЧелГУ Оксана Павлухина. – Ряд сплавов на основе железа, таких как Fe-Rh, Fe-Pt, Fe-Co, могут быть применимы в технологии тепловой магнитной записи. Наша научная группа достаточно давно занимается поиском и исследованием свойств различных сплавов, которые могут быть использованы в различных областях, в том числе в технологии тепловой магнитной записи».

Физики ЧелГУ занимаются изучением гигантского магнитокалорического эффекта уже несколько лет, поэтому им многое известно о природе этого явления.

«Магнитокалорический эффект проявляется изменением температуры вещества при внесение его в магнитное поле, – поясняет Оксана Павлухина. – На основе материалов, в которых наблюдается этот эффект, можно создавать охлаждающие установки – холодильники и кондиционеры. В сплавах Fe-Rh наблюдается метамагнитный фазовый переход между антиферромагнитной и ферромагнитной фазами вблизи комнатной температуры, а это значит, что для холодильника не нужно использовать нагрев или низкие температуры».

Научный интерес к материалам, обладающим свойством сильного магнитокалорического эффекта, вызван тем, что они, выступая в роли рабочего тела магнитного охлаждающего устройства, позволят отказаться от вредящих окружающей среде хладагентов. Холодильники, работающие при помощи сплавов на основе Fe-Rh, более экологичны по сравнению с рефрижераторами, которые массово производятся в настоящее время.

«Магнитные холодильники обладают целым набором преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами, – отмечает Оксана Павлухина. – Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – это практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле обычного парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные охлаждающие установки характеризуются более высокими КПД и экономичностью. На сегодняшний день уже существуют прототипы и экспериментальные образцы холодильников, работающих на принципе твердотельного охлаждения. В магнитных холодильниках рабочее тело твердое, поэтому оно может быть легко изолировано от окружающей среды. Кроме того, применяемые в качестве рабочих тел вещества в таких холодильниках малотоксичны, а значит, могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Наконец, стоит отметить, что в традиционных системах, содержащих газовый теплоноситель, есть возможность попадания газа в атмосферу, и эта проблема полностью решена при твердотельном охлаждении».

Практическое применение сплавов на основе Fe-Rh может быть связано с медицинской наукой, а точнее – с решением задачи адресной переноски лекарственных препаратов в организме человека. Но эта проблема требует отдельного изучения биосовместимости материалов и должна решаться на междисциплинарном уровне, в тесном содружестве учёных, специализирующихся в области физики, биологии, фундаментальной медицины.

На внедрении в жизнь новых разработок физиков ЧелГУ может сказаться высокая рыночная стоимость родия. Однако на деле это препятствие служит лишь стимулом к новому витку научных поисков.

«Родий – достаточно дорогой редкоземельный элемент. И этот недостаток ограничивает области применения сплавов. Но есть ряд областей, где стоимость материала не является лимитирующим фактором, – утверждает Оксана Павлухина. – Наша научная группа исследует свойства сплавов на основе Fe-Rh, где родий замещается другими элементами. Мы ищем новые материалы, которые обладают набором перспективных свойств для применения в технологии магнитного охлаждения, магнитной записи и устройствах спинтроники».

Область научных интересов коллектива физиков ЧелГУ, исследующих сплавы на основе железа и родия, весьма обширна, но неизменно связана с физикой магнитных явлений. В ближайшее время учёным предстоит реализация проекта, победившего в конкурсе по гранту Фонда перспективных научных исследований ЧелГУ (ФПНИ).

«Работая по гранту ФПНИ, планируем провести исследование структуры, свойств и фазовой стабильности сплавов на основе Fe-Rh, легированных различными элементами, – говорит участник научной группы аспирант ЧелГУ Даниил Байгутлин. – Магнитный порядок в соединениях на основе железа сильно зависит от концентрации элементов, а также от структурного беспорядка и внедрения новых элементов. Важно изучить влияние добавления третьего элемента на магнитные и структурные свойства материала, что позволит сделать вывод о перспективности такого материала для дальнейшего применения в различных областях».

Исследованиями сплавов на основе Fe-Rh под руководством профессора Василия Бучельникова по гранту ФПНИ-2022 кроме Оксаны Павлухиной, занимаются: доцент кафедры радиофизики и электроники ЧелГУ Михаил Загребин, аспиранты-физики ЧелГУ Ксения Ерагер и Даниил Байгутлин. Коллектив тесно сотрудничает с научными коллективами из России и других стран.

В рамках гранта РНФ № 22-12-20032 и Государственного задания Минобрнауки РФ 075-00250-20-03 коллектив в его расширенном составе работает над изучением функциональных материалов, которые могут быть использованы в качестве материальной базы для спинтроники и квантовых вычислительных устройств.