Η έκθεση υλικών σε εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία μπορεί να οδηγήσει σε ασυνήθιστα και συναρπαστικά φυσικά φαινόμενα. Όπως δείχνουν νέες μελέτες, όταν τα μαγνητικά πεδία ξεπερνούν τα 100 τέσλα (T), ή σπιν – δηλαδή οι εσωτερικοί μαγνητικοί προσανατολισμοί των ηλεκτρονίων – και τα άτομα αρχίζουν να σχηματίζουν νέες διατάξεις, δημιουργώντας καινούριες φάσεις ύλης ή παραμορφώνοντας το πλέγμα του κρυστάλλου.
Ένα από τα φαινόμενα που μπορεί να συμβούν σε αυτές τις συνθήκες είναι η μαγνητοσυστολή (magnetostriction) – η τάση ενός υλικού να επιμηκύνεται, να συρρικνώνεται ή να παραμορφώνεται όταν εκτεθεί σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Πειράματα σε μαγνητικά πεδία άνω των 100 τέσλα
Τα μαγνητικά πεδία αυτής της ισχύος μπορούν να διατηρηθούν πειραματικά μόνο για ελάχιστα μικροδευτερόλεπτα, καθώς η παραγωγή τους προκαλεί τεράστια μηχανική πίεση στα πηνία που τα δημιουργούν, τα οποία συνήθως καταστρέφονται σχεδόν αμέσως.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Ηλεκτροεπικοινωνιών του Τόκιο, το RIKEN και άλλα ινστιτούτα της Ιαπωνίας ανέπτυξαν πρόσφατα νέο εξοπλισμό που μπορεί να παράγει μαγνητικά πεδία περίπου 110 T για λίγα μικροδευτερόλεπτα και να καταγράφει τη θέση των ατόμων μέσα στα υλικά υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, αποκαλύπτει νέα ευρήματα σχετικά με τη συμπεριφορά του στερεού οξυγόνου υπό τέτοιες συνθήκες.
Η σύλληψη της κρυσταλλικής δομής με το PINK-02
Για τα πειράματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια φορητή γεννήτρια μαγνητικού πεδίου που ανέπτυξαν οι ίδιοι, με την ονομασία PINK-02. Η συσκευή αυτή τους επέτρεψε να παράγουν μαγνητικό πεδίο περίπου 110 τέσλα για λίγα μικροδευτερόλεπτα.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν υπερταχείες παλμικές ακτίνες-Χ από λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (XFEL) για να «φωτογραφίσουν» τα άτομα του στερεού οξυγόνου ενώ εκτίθεντο στο μαγνητικό πεδίο. Αυτές οι στιγμιαίες λήψεις αποκάλυψαν πώς μεταβάλλονταν οι θέσεις των ατόμων κατά τη διάρκεια του παλμού.
«Η καινοτομία της μελέτης μας είναι η φορητή γεννήτρια 100 T PINK-02, η οποία κατέστησε δυνατό τον συνδυασμό της με ακτίνες-Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων, κάτι που δεν είχε γίνει ποτέ πριν», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Akihiko Ikeda.
Αναλύοντας τις εικόνες πριν και κατά τη διάρκεια της έκθεσης, η ομάδα διαπίστωσε ότι ο κρύσταλλος του οξυγόνου επιμηκύνθηκε περίπου κατά 1%, παρουσιάζοντας γιγαντιαία μαγνητοσυστολή.
Προς μια νέα κατανόηση της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης
Οι ερευνητές συνέδεσαν αυτή την έντονη παραμόρφωση με ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις σπιν και δυνάμεις του πλέγματος υπό ισχυρά μαγνητικά πεδία. Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι πάνω από τα 100 T, οι σπιν μπορούν να επηρεάσουν τη σταθερότητα και τη δομή του κρυστάλλου ενός υλικού – στην προκειμένη περίπτωση του στερεού οξυγόνου.
Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τη γεννήτρια PINK-02 και τις ακτίνες-Χ XFEL για τη μελέτη και άλλων υλικών σε ακραίες μαγνητικές συνθήκες.
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι οι σπιν μπορούν να επηρεάσουν τη σταθερότητα της κρυσταλλικής δομής ενός υλικού», εξηγεί ο Ikeda. «Σκοπεύουμε τώρα να ερευνήσουμε τη λεγόμενη φάση θήτα (θ) του στερεού οξυγόνου αυξάνοντας το μαγνητικό πεδίο στα 120–130 T, αποκαλύπτοντας έτσι νέες μεταβολές της δομής σε διάφορα υλικά πάνω από τα 100 τέσλα».
Περισσότερες πληροφορίες: Akihiko Ikeda et al, Παρατήρηση λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ της γιγαντιαίας και ανισότροπης μαγνητοσυστολής στο β-Ο 2 στο 110 Tesla, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r7br-qnrn .
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης
