Магнетизм: самые сильные магниты в мире и перспективные разработки

Современная наука о магнетизме переживает период бурного развития, открывая новые горизонты в создании сверхсильных магнитных полей и инновационных магнитных материалов. Сила магнита определяется комплексом взаимосвязанных факторов: от атомной структуры материала до геометрических параметров устройства. Исследователи по всему миру ведут интенсивную работу по комбинированию различных типов магнитов, экспериментируя с редкоземельными элементами, наноструктурами и сверхпроводящими композитами для достижения рекордных показателей магнитной индукции.

Фундаментальные основы магнетизма и его практическое значение

Магнетизм представляет собой одно из фундаментальных физических явлений, играющее ключевую роль в самых различных областях - от энергетики и электроники до медицины и космических технологий. Природное магнитное поле Земли, достигающее у поверхности всего 30-60 микротесла, тем не менее выполняет жизненно важную функцию, защищая биосферу от губительного воздействия космической радиации и солнечного ветра.

Физическая природа магнетизма связана с движением электрических зарядов и особенностями строения электронных оболочек атомов. В природе встречаются как естественные магниты (например, минерал магнетит), так и искусственно созданные магнитные материалы. Современные технологии позволяют производить магниты с точно заданными характеристиками, открывая новые возможности для их применения.

Ключевые параметры, определяющие силу магнита:

• Материальный состав (ферромагнетики, редкоземельные сплавы);

• Кристаллическая структура и магнитная анизотропия;

• Геометрическая форма и размеры;

• Степень намагниченности и коэрцитивная сила;

• Рабочая температура и температурная стабильность.

Современные исследования направлены на поиск оптимальных комбинаций этих параметров для создания магнитов с экстремальными характеристиками.

Рекордные достижения в создании сверхсильных магнитных полей

Прорыв в области создания сверхсильных магнитных полей был достигнут в Лаборатории сильных магнитных полей (SHMFF) в Хэфэе (Китай). В августе 2022 года китайским ученым удалось создать гибридную магнитную систему, генерирующую стабильное поле в 45,22 Тесла - это в 1,5 миллиона раз сильнее естественного магнитного поля Земли.

Уникальная конструкция этого магнита включает:

1. Внешний сверхпроводящий модуль на основе ниобий-оловянных сплавов, работающий при температуре жидкого гелия (4,2 К);

2. Внутренний резистивный магнит типа Биттера с водяным охлаждением;

3. Многослойную систему магнитной экранировки;

4. Прецизионную систему контроля и стабилизации поля.

Для питания этой системы потребовалась электрическая мощность 26,9 мегаватт - сопоставимая с энергопотреблением небольшого города. Уникальность этой установки заключается в возможности длительного (до нескольких часов) поддержания стабильного поля, что открывает новые возможности для научных экспериментов.

Новый мировой рекорд: 45,5 Тесла

В 2023 году группа исследователей из Национальной лаборатории сильных магнитных полей (NHMFL) во Флориде (США) превзошла китайский рекорд, достигнув значения 45,5 Тесла. Американские ученые использовали инновационный подход:

• Применили высокотемпературный сверхпроводник REBCO;

• Разработали новую архитектуру катушки без межвитковой изоляции;

• Достигли рекордной плотности тока - 1260 А/мм²;

• Использовали активную систему охлаждения жидким азотом.

Однако это достижение имело ограничение - сверхсильное поле могло поддерживаться лишь в течение нескольких секунд из-за тепловых перегрузок в проводниках. Тем не менее, этот эксперимент доказал принципиальную возможность дальнейшего увеличения напряженности магнитных полей.

Молекулярные магниты: прорыв в нанотехнологиях

Особый интерес представляют так называемые одномолекулярные магниты (SMM), которые открывают новые горизонты в миниатюризации магнитных устройств. В 2023 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Беркли создала молекулярный комплекс на основе тербия, демонстрирующий рекордные характеристики:

• Магнитное поле до 25 Тесла при 60 К;

• Высокую коэрцитивную силу (до 8 Тесла);

• Температуру блокировки магнитного момента 80 К;

• Стабильность магнитных свойств в широком температурном диапазоне.

Ключевым достижением стало использование йодных мостиков между атомами тербия, создающих уникальную магнитную анизотропию. Это открытие имеет огромный потенциал для применения:

1. В устройствах хранения информации:

• Плотность записи до 100 Тбит/дюйм²;

• Энергонезависимая память;

• Высокая радиационная стойкость.

2. В квантовых вычислениях:

• Создание кубитов на основе спиновых состояний;

• Температура работы выше жидкого азота;

• Масштабируемость до миллионов кубитов.

3. В медицинской диагностике:

• Контрастные агенты для МРТ нового поколения;

• Микроскопические датчики магнитного поля;

• Таргетная доставка лекарств.

Перспективные направления исследований

Современные исследования в области магнетизма развиваются по нескольким ключевым направлениям:

1. Разработка новых магнитных материалов:

• Редкоземельные интерметаллиды (Nd₂Fe₁₄B, SmCo₅);

• Гибридные органическо-неорганические соединения;

• Двумерные магнитные материалы (CrI₃, Fe₃GeTe₂).

2. Создание гибридных магнитных систем:

• Комбинация сверхпроводящих и резистивных элементов;

• Многослойные магнитные структуры;

• Активные системы стабилизации поля.

3. Развитие методов измерения и контроля:

• Квантовые сенсоры магнитного поля;

• Методы визуализации магнитных доменов;

• Искусственный интеллект для прогнозирования свойств.

4. Прикладные применения:

• Термоядерный синтез (удержание плазмы);

• Ускорители частиц нового поколения;

• Магнитная левитация для транспорта.

Заключение

Современные достижения в области создания сверхсильных магнитов открывают новые возможности для научных исследований и технологических применений. От рекордных 45,5 Тесла в лабораторных установках до молекулярных магнитов, работающих при относительно высоких температурах - все эти разработки формируют основу для будущих прорывов в энергетике, медицине, информационных технологиях и других ключевых областях.

Дальнейший прогресс будет связан с разработкой новых материалов, совершенствованием методов управления магнитными свойствами на атомном уровне и созданием гибридных систем, сочетающих преимущества различных типов магнетизма. Особые перспективы связаны с применением искусственного интеллекта для прогнозирования и оптимизации магнитных характеристик новых материалов.

Источники:

1. Journal of High Magnetic Fields (2023)

2. Nature Materials, vol. 22 (2023)

3. Proceedings of the National Academy of Sciences (2023)

4. Advanced Magnetic Materials (Springer, 2023)

5. IEEE Transactions on Magnetics (2023)

Андрей Повный