Уже более ста лет известно, что некоторые сплавы демонстрируют обладают чрезвычайно малым коэффициентом температурного расширения. В недавно вышедшей работе австрийских ученых предлагается теоретическая модель, позволяющая объяснить эту аномалию на основе явления магнитострикции.

Как известно, обычно объем твердых тел увеличивается с ростом температуры, что объясняется ангармонизмом межатомного взаимодействия (взаимодействие атомов в твердом теле не является чисто упругим). Наличие ангармонизма приводит к тому, что среднее отклонение атома от своего равновесного положения в кристаллической решетке становится отличным от нуля; получается, что с ростом температуры каждый атом занимает бОльшее место. Несмотря на общность этого свойства (наличия ангармонизма) для всех тел, встречаются материалы, коэффициент объемного расширения которых ведет себя аномально. Например, существуют материалы, в которых в широком температурном диапазоне коэффициент линейного теплового расширения практически равен нулю, т.е. объем тела при повышении (понижении) температуры практически не изменяется. Столь необычное свойство таких веществ незаменимо в некоторых областях техники, в частности, при изготовлении деталей высокоточных измерительных приборов.

Первый представитель этого класса веществ, инвар (сплав железа и никеля), был открыт более ста лет назад. Поскольку необычные свойства такого типа сплавов проявляются при температурах, меньших температуры ферромагнитного упорядочения (температуры Кюри), уже давно предполагалось, что увеличение объема тела, связанное с ангармонизмом, компенсируется какими-то эффектами, связанными с магнетизмом. В недавно вышедшей работе австрийских ученых [1] представлена модель, позволяющая объяснить малость коэффициента линейного расширения для сплава железа и платина (материала типа инвара) на основе явления магнитострикции.

Рис.1. Объем, приходящийся на один атом сплава Fe-P, при различных x (минимумы соответствующих кривых показывают равновесный объем).

Магнитострикция - это изменение объема (формы) тела при его намагничивании. Для некоторых материалов приложение магнитного поля приводит к уменьшению их объема, для других - к увеличению. Появление спонтанной намагниченности при температурах ниже температуры перехода в магнитоупорядоченное состояние, естественно, также оказывает влияние на свойства тела. Ученые из Вены проводили моделирование свойств сплава Fe-Pt (при различной концентрации атомов платины) в предположении, что существует определенный беспорядок в распределении магнитных моментов атомов железа или, говоря другими словами, что можно представить себе сплав Fe-Pt как сплав Fe_{c- x}Fe_xPt, где Fe_c-x и Fe_x - доли атомов железа с противоположно направленными спинами. Согласно их расчетам, при уменьшении доли атомов железа с одинаковой ориентацией спина (этому соответствует падение спонтанной намагниченности) происходит падение среднего объема, занимаемого одним атомом (и, соответственно, уменьшение общего объема тела) - рис. 1.

Увеличение беспорядка в ориентации спинов происходит с ростом температуры, следовательно, с увеличением температуры за счет уменьшения спонтанной намагниченности объем тела должен падать, в то время как ангармонизм должен должен вести к росту объема тела. За счет взаимной компенсации этих двух вкладов коэффициент теплового расширения и получается близким к нулю. Также развитая модель позволяет объяснить падение спонтанной намагниченности по мере приближения к температуре Кюри, которое раньше пытались приписать наличию неких неизвестных возбуждений.

1. S.Khmelevskyi, I.Turek, and P.Mohn. Phys.Rev.Lett., v.91, 037201 (2003).

Е.Онищенко