Мюонный канал СЦ-1000 помогает получать новые результаты

Среда, 20 октября 2021

В журнале Magnetochemistry вышла совместная статья «μSR-исследование феррожидкости с 3% концентрацией наночастиц CoFe2O4» сотрудников Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, учёных из Объединенного института ядерных исследований и румынских коллег из «Horia Hulubei» National Institute of Physics and Engineering и «Politehnica» University of Bucharest.

Данная работа является продолжением цикла исследований магнитных свойств феррожидкости на основе наночастиц Fe3O4, проводимых в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ с помощью мюонного метода исследований вещества, µSR-метода (µSR-метод, во всем мире и в России прижилось и используется именно это название метода). В настоящее время в России существует единственная работающая µSR-установка, расположенная на выходе мюонного канала синхроциклотрона СЦ-1000.

Материалы, в которых распределены магнитные наночастицы в немагнитной среде, представляют большой практический и научный интерес, обусловленный их особыми свойствами, которые вызваны наноразмерными эффектами. Научный интерес к таким материалам связан с изучением природы магнетизма в объектах, размеры которых не превышают размера домена. Наиболее интенсивно изучаются магнитные жидкости, представляющие собой коллоидные системы, состоящие из монодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в органических или неорганических жидких средах. Стабильность магнитных жидкостей достигается покрытием магнитных наночастиц поверхностно-активным веществом (ПАВ), предотвращающим слипание наночастиц за счет сил Ван-дер-Ваальса и магнитных диполь-дипольных взаимодействий.

Магнитные жидкости на основе однодоменных магнитных наночастиц ферритов-шпинели, диспергированных в различных жидких средах, представляют определённый практический и научный интерес. Они широко используются в технике, перспективным является их применение в медицине, с точки зрения высоких технологий, актуально создание на их основе магнитных накопителей информации большой ёмкости.

В настоящее время широко изучаются жидкости на основе однодоменных магнитных наночастиц ферритов-шпинели MeFe2O4 (где Me - Cr, Mg, Fe, Co и Zn), диспергированных в различных жидких средах. Одним из часто встречающихся веществ, на основе которого приготавливаются магнитные жидкости, является магнетит Fe3O4. Стабильность магнитной жидкости в воде достигается при малых концентрациях (<5 – 7%) наночастиц. При температурах ниже температуры Кюри каждая наночастица обладает магнитным моментом, близким к суммарному моменту молекул в частице.

Ранее коллективом соавторов была исследована феррожидкость на основе наночастиц Fe3O4 с концентрацией наночастиц 4,7%, диспергированных в тяжелой воде D2O. Обнаружено, что наряду с прецессионным сигналом от мюонной (диамагнитной) компоненты наблюдается отчетливый сигнал от мюониевой компоненты (Mu-мюоний, лёгкий аналог атома водорода, мюон выступает в роли протона). Поведение мюонной и мюониевой фракций в феррожидкости сравнивалось с их поведением в чистой тяжелой воде. Эксперимент проводился в поперечных направлению спина мюона магнитных полях 8 Гс и 280 Гс в диапазоне температур 25 – 300 К. Найдено, что диамагнитная (мюонная) фракция образуется в феррожидкости приблизительно в той же пропорции, что и в D2О, однако скорость релаксации спина мюона значительно выше в феррожидкости по сравнению с D2O при температурах Т > 150 К. Доля мюониевой фракции при этих температурах существенно меньше в феррожидкости, чем в D2O. Частоты прецессии спинов мюона и мюония заметно ниже в феррожидкости, нежели в D2O.

Также были проведены экспериментальные исследования феррожидкости на основе магнитных наночастиц из молекул CoFe2O4, диспергированных в воде H2O с концентрацией наночастиц 0,5% и 3%.

В настоящем исследовании феррожидкости с 3% концентрацией наночастиц CoFe2O4 было определено, что структура и величина намагниченности феррожидкости зависит от вязкости самой жидкости. Показано, что при комнатной температуре (290 K) и внешнем магнитном поле 527 Гс наблюдаемая дополнительная намагниченность составляет ~ 20 Гс. В небольшой доле исследуемого образца (~20%) наблюдается отрицательная намагниченность (диамагнетизм). При низкой температуре (~30 K) образец в магнитном поле ведёт себя как парамагнетик. Впервые экспериментально с помощью μSR-метода измерено магнитное поле внутри и ближайшей окрестности наночастицы CoFe2O4, которое составляет 1,96 ± 0,44 кГс, таким образом произведено прямое измерение намагниченности наноразмерного объекта.

Цикл работ «Исследование магнитных свойств феррожидкости с помощью поляризованных мюонов» был высоко оценен в Институте, получив вторую премию на конкурсе научных работ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ 2021 года в области физики конденсированного состояния.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт