Работа российских ученых, поддержанная программой «Приоритет 2030» и Российским научным фондом, открывает новые горизонты в понимании фундаментальных процессов в магнитных материалах. В исследовании приняли участие специалисты ИТМО, в том числе такие известные имена, как Максим Горлач, Леон Шапошников и Эдуардо Барредо, а также нобелевский лауреат по физике Фрэнк Вильчек. Их совместные усилия уже привели к ярким научным открытиям, которые обещают заметно продвинуть современные технологии и физику конденсированных сред.
Магнитные вещества: основа современных устройств
Магнитные материалы — это ключевой элемент множества приборов, встречающихся практически повсеместно: в трансформаторах, электродвигателях, чувствительных датчиках, оборудовании для медицины и бытовых нужд, а также в устройствах памяти. Отличительной чертой таких материалов служит присутствие внутренней самопроизвольной намагниченности, которая отличает их от немагнитных сред.
Ещё в прошлом веке исследователям удалось выяснить физическую природу ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Однако наука не стоит на месте — каждый год приоткрываются новые детали их поведения, особенно когда речь идёт о взаимодействии с внешними полями и быстрых изменениях состояния.
Проблема быстродействия и задачи сверхбыстрого магнетизма
Магнитные приборы будут работать тем эффективнее, чем короче время переключения их состояния. Этим вопросом занимается отдельная современная область — сверхбыстрый магнетизм, где физики разрабатывают методы мгновенного изменения намагниченности. Чаще всего для таких целей материалы освещают ультракороткими импульсами света, энергия которых превышает частоту собственных магнитных колебаний вещества.
Однако ситуация усложняется, когда внутренние колебания намагниченности достигают терагерцовой зоны (1012 Гц) — тогда традиционные способы воздействия дают слабый эффект. В поисках более чувствительных подходов учёные из ИТМО, вдохновлённые работой Фрэнка Вильчека, предложили оригинальное решение, которое изменило сам подход к измерениям.
Явление невидимых колебаний: новая аналогия и подход
Максим Горлач, ведущий научный сотрудник ИТМО, проводит аналогию: «Если представить вращающийся диск с чередующимися белыми и чёрными секторами, медленное вращение позволяет чётко различить их. При ускорении всё начинает сливаться в единый серый цвет, вне зависимости от качества камеры или глаза. Оказалось, что даже при очень быстрой смене намагниченности структуры мы можем извлечь невидимую прежде информацию».
Исследователи рассмотрели, как в магнитных материалах возникают сверхбыстрые колебания намагниченности под действием мощных импульсов. Для измерения таких быстрых процессов они применили слабые электромагнитные волны, которые при прохождении через материал частично отражаются, преломляются и изменяют свою поляризацию. Анализируя эти изменения, учёные смогли получить данные о фазе и природе магнитных колебаний — без необходимости использования дорогостоящей сверхскоростной техники.
Эффективное аксионное поле: теория и новые возможности
Леон Шапошников, магистрант ИТМО, объясняет: «Сначала кажется, что при быстром колебательном процессе низкочастотная волна не способен уловить эти перемены. Однако расчёты показали, что всё иначе: быстрые колебания внутри материала можно описать с помощью так называемого эффективного аксионного поля». Это поле зависит не только от размаха колебаний, но и от их начальной фазы. Именно это поле влияет на распространение электромагнитной волны и изменяет её поляризацию. Такой подход открывает дорогу к изучению сверхбыстрых процессов даже с помощью низкочастотных сигналов.
Интересно, что уравнения, описывающие взаимодействие магнитных материалов с сигналами, сходны с уравнениями для гипотетических аксионов, введённых Фрэнком Вильчеком. Благодаря этому синтезу идей возникает мост между квантовой теорией поля и физикой твёрдого тела.
Временные метаматериалы: путь к управляемой оптике
Помимо вклада в изучение магнитных процессов, команда из ИТМО затронула смежную область — временные метаматериалы. Не так давно стало возможным быстро менять параметры искусственных материалов, получать новые типы взаимодействия и наблюдать уникальные явления.
Эдуардо Барредо, аспирант ИТМО, отмечает: «В опытах оказалось, что такие быстро меняющиеся среды могут усиливать свет, используя эффекты, напоминающие раскачивание качелей. При быстрой подстройке параметров происходит параметрический резонанс — очень интересное и перспективное явление».
До сих пор пересечение между временными метаматериалами и сверхбыстрым магнетизмом практически не исследовалось. Однако свежие разработки российских физиков показывают: будущие открытия на этом стыке наук могут подарить мощные инструменты для генерации и управления светом в самых разных приложениях — от телекоммуникаций до сенсорики и квантовых вычислений.
Успехи ИТМО и перспективы для мировой науки
Команда ИТМО продолжает активно разрабатывать модели, описывающие поведение эффективных аксионных полей в различных материалах, открывая всё новые загадки и возможности современных технологий. Прежняя их публикация, посвящённая метаматериалам, получила высокую оценку научного сообщества и стала основой для дальнейших исследований.
Сотрудничество с такими признанными научными авторитетами, как Фрэнк Вильчек, Максим Горлач, Леон Шапошников и Эдуардо Барредо, позволяет уверенно утверждать — отечественная наука двигается в ногу с мировой, а иногда и опережает её, формируя новые прикладные и фундаментальные направления. Такие опыты подталкивают к созданию высокочувствительных магнитных сенсоров, новых протоколов оптической передачи информации и обновлённой элементной базы для электромагнитных устройств.
От фундаментальных идей до практического применения — сегодняшний успех учёных ИТМО и их международных коллег приближает будущее, где передовые физические принципы станут частью повседневной жизни, а изучение природы исконно невидимых явлений поможет сделать технологии ещё более надёжными, быстрыми и энергоэффективными.
Источник: naked-science.ru
