В Южно-Уральском государственном университете сотрудники лаборатории функциональных материалов изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления. Работа лаборатории — результат совместной деятельности челябинских вузов: ЮУрГУ и ЧелГУ. В будущем университеты намерены создать еще одну совместную исследовательскую площадку — Центр сильных магнитных полей.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Два ведущих вуза Челябинской области намерены создать в регионе Центр сильных магнитных полей. В нем ученые из Южно-Уральского государственного университета и Челябинского государственного университета будут изучать методику создания магнитных полей, свойства тел при воздействии этих полей на них, а также магнитные материалы.
Между научными коллективами двух вузов давно установилась прочная связь: совместные исследования проводятся в области математики, физики, химии. Лабораторией функциональных материалов, открытой в ЮУрГУ в 2017 году, руководит советник при ректорате ЧелГУ Дмитрий Батаев.
Сотрудники лаборатории изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления в низкоразмерных системах, материалы с памятью формы, с магнитокалорическим эффектом. Также в лаборатории работают с углеродными материалами и наноразмерными структурами.
«За три года было проведено немало успешных исследований. Прямо сейчас реализуется крупный международный российско-немецкий проект №18–42–06201 “Фундаментальные основы сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения”. Он финансируется РНФ-Helmholtz. Проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния и физики металлов и сплавов — разработку материалов с заданными свойствами, пригодных для применения в новой перспективной технологии сжижения газов с помощью магнитокалорического эффекта»,— рассказал руководитель лаборатории функциональных материалов ЮУрГУ Дмитрий Батаев.
Владимир Ховайло, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Центра энергоэффективности НИТУ МИСиС:
— Основные задачи создаваемого центра — это исследования магнитокалорического эффекта (МКЭ) в сильных магнитных полях, направленные прежде всего на разработку материалов для сжижения природных и криогенных газов, и исследования магнитных свойств материалов, перспективных для разработки новых постоянных магнитов, в частности, таких, которые не содержат редкоземельных элементов.
Очевидных преимуществ в повседневной жизни людей данные исследования не принесут. Тем не менее изучение магнитокалорического эффекта позволит создать технологию для ожижения как природных, так и криогенных (азот, неон, аргон, гелий) газов, что в итоге позволит удешевить стоимость природных газов для конечного потребителя. Что касается исследования новых постоянных магнитов, их разработка позволит снизить стоимость конечных продуктов, например электродвигателей, электроприводов и т. п., за счет уменьшения содержания в них дорогих редкоземельных элементов.
Российские центры и лаборатории сильных магнитных полей можно пересчитать на пальцах одной руки. Наиболее известные из них — это лаборатория сильных магнитных полей Института физики имени Киренского СО РАН, основная специализация которой — разработка экспериментальных методик измерений в сильных магнитных полях, исследование магнитных и транспортных свойств материалов (в частности, электросопротивления) в сильных магнитных полях. Также в этот список входит лаборатория сильных магнитных полей при Саровском физико-техническом институте, которая занимается разработкой систем для генерации сильных магнитных полей до 60 Тесла, это примерно в 60 раз больше, чем может быть создано при помощи самого мощного постоянного магнита. Как уже отмечалось выше, основной изюминкой центра при ЮУрГУ будет исследование МКЭ и магнитных свойств перспективных материалов для постоянных магнитов.
Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):
— Центр сильных магнитный полей Южно-Уральского государственного и Челябинского государственного университетов будет устроен по принципу любого научного центра. В нем наверняка будут организованы тематические кластеры, развивающие узкие научные направления, связанные с изучением магнитных полей, а также с изучением взаимодействия магнитный полей с окружающей средой. Мне кажется, вообще изучение магнитных взаимодействий довольно перспективная тема. Она всегда была интересна с точки зрения быстродействия: электрические взаимодействия в веществах медленнее, чем магнитные.
В плане прикладного значения можно выделить несколько направлений. Во-первых, это магнитные носители информации, а именно создание сверхъемкой памяти на основе регулирования магнитной доменной структуры на наноуровне. Это очень интересно, перспективно, так как касается в том числе и Data Science и пока коммерческого продукта в этой области еще не создано. Во-вторых, это элементы спинтроники — раздела квантовой электроники, занимающегося созданием электроники на основе спинового токопереноса, то есть, по сути, искусственной регуляции магнитных моментов электрона и общей доменной структуры вещества. Как итог — создание квантовых компьютеров и быстродействующих элементов для них. Надеюсь, что это наше скорое будущее. В этом направлении необходимо развиваться, и создание такого центра — верный шаг.
Подобный центр уже есть и функционирует в Нижнем Новгороде. При этом нужно помнить, что каждый центр уникален как с технологической, так и с научной точки зрения. Поэтому создание центра сильных магнитных взаимодействий дополнит и расширит конкурентное преимущество нашей страны как в научном, так, надеюсь, и в технологическом плане.
Антон Конаков, старший научный сотрудник НИЛ кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, кандидат физико-математических наук:
— Исследованиe магнитных явлений привлекает внимание человека не то что со времен гения науки Николы Теслы — еще с древних греков, а изобретение компаса, например, относят к промежутку времени ранее 1100 года до н. э. В современном мире различные приборы, использующие магнитные поля, стали незаменимым помощником человека: для магнитной записи информации, для магнитной сепарации, для магнитного охлаждения до сверхнизких температур или магнитного удержания плазмы. Не секрет, что один из наиболее распространенных сейчас диагностических методов в медицине — магнитно-резонансная томография — базируется на использовании сильных магнитных полей.
Исследования магнитных полей и магнитных явлений широко распространены в России и мире; центров магнитных исследований достаточно много, и они разбросаны от Лос-Аламоса (США) до Токио (Япония). Тематику таких исследовательских центров можно (достаточно условно) разделить на три направления:
1) Разработка новых методов получения стационарных и импульсных сильных и сверхсильных магнитных полей, создание установок для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей. Расширение диапазона сильных магнитных полей и способов их генерации необходимо как в фундаментальной науке, например для создания ускорителей элементарных частиц и исследования уникальных явлений микромира, так и для решения прикладных задач, например для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Создание сверхсильных магнитных полей также интересно в фундаментальной физике для понимания процессов, происходящих с веществом в звездах.
2) Исследование взаимодействия сильных и сверхсильных магнитных полей с веществом и биологическими объектами. В настоящее время это наиболее важно для приложений в биомедицине.
3) Разработка и изучение новых магнитных материалов с собственными уникальными характеристиками, а также исследование изменения их свойств во внешних магнитных полях. Новые магнитные материалы находят активное применение в новом направлении электроники — спинтронике, где управление происходит не только на уровне электронных, но и магнитных свойств объектов.
В России существует несколько научных центров и лабораторий, специализирующихся на исследованиях в области физики магнитных явлений и магнитных материалов: в Санкт-Петербургском политехе Петра Великого (специализация на создании новых устройств для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей), в Екатеринбурге (город в связи с понятными географическими и геологическими причинами можно назвать российской столицей изучения магнитных явлений и магнитных материалов), в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН (разработка методик создания сильных импульсных магнитных полей и исследование свойств магнитных материалов в сильных магнитных полях).
В Нижегородской области основные центры исследования магнитных полей — это Саров (РЦЯЦ ВНИИЭФ и СарФТИ), где в 2001 году был установлен до сих пор не побитый рекорд генерации импульсного сверхсильного магнитного поля амплитудой 3 кТл (в 2 тыс. раз больше, чем в традиционном МР-томографе), а также Нижний Новгород, где в Университете Лобачевского и Институте физики микроструктур РАН с 2000-х годов активно ведутся исследования новых материалов для полупроводниковой (Университет Лобачевского) и металлической (ИФМ РАН) спинтроники, получен ряд приоритетных на мировом уровне научных результатов.
Новый челябинский центр в ЮУрГУ и ЧелГУ объединяет в себе черты двух направлений — синтеза новых магнитных материалов для различных практических применений и исследования их свойств, в том числе магнитокалорических (с приложением в области магнитного охлаждения), в сильных магнитных полях, и является конкурентом научным центрам Екатеринбурга, Красноярска и Нижнего Новгорода.
Александр Семенов, заведующий кафедрой физической электроники и технологии СПбГЭТУ ЛЭТИ, доктор технических наук:
— Исследование физических эффектов в сильных магнитных полях является весьма актуальной задачей, требующей использования целого ряда уникального оборудования и экспериментальных стендов.
Инфраструктура центра позволяет проводить систематические исследования магнитокалорического эффекта в перспективных материалах, работающих при низких температурах в высоких магнитных полях. Результаты данных исследований создадут основу для разработки принципиально новой энергоэффективной технологии сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения, будут способствовать разработке новых эффективных магнитокалорических материалов и устройств на их основе. В рамках этого направления в центре могут изучаться фундаментальные проблемы физики магнитных явлений, связанные с исследованием влияния термических и механических воздействий на структурные, гистерезисные, магнитотепловые и иные физические свойства перспективных микро- и наноструктурированных магнитных материалов, которые в будущем могут стать основой новой технологии сжижения природного газа с помощью магнитокалорического эффекта.
При этом исследования, проводимые таким центром, носят важное прикладное значение. Природный газ является одним из основных источников энергии как в настоящее время, так и в обозримом будущем. Для хранения и транспортировки этого типа энергии требуется сжижение, но для этого процесса требуются сложные энергоемкие компрессорные устройства, работающие при криогенных температурах (при температурах ниже 150 К эффективность сжижения традиционными методами довольно низкая). В то же время существует принципиально иной подход к сжижению газов в качестве хранилища будущей энергии — технология магнитного охлаждения. Принимая во внимание недавний прогресс в разработке сверхпроводящих магнитов с магнитными полями до 15–22 Тл, этот тип охлаждения при криогенных температурах может вызвать революцию в технологии сжижения газа.
Александр Самардак, проректор Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) по научной работе (вуз — участник «Проекта 5–100»):
— Центры сильных магнитных полей — это элемент научной инфраструктуры, в котором сосредоточено дорогостоящее оборудование для исследований физических свойств материалов в широком температурном и полевом диапазонах. Как правило, такого рода центры комплектуются измерительными комплексами типа PPMS Quantum Design, а также импульсными источниками магнитного поля. Это очень сложное научное оборудование, так как измерения проводятся в широчайшем температурном диапазоне — от жидкого гелия до 1000 К, часть используемого оборудования криогенное.
Инфраструктура центров позволяет измерять большинство физических свойств материалов в широком диапазоне температур (от 4 до 1000 К) и магнитных полей (примерно от 0 до 14 Т для стационарных полей и до 50–70 Т для импульсных). В частности, можно исследовать сверхпроводимость, магнитные свойства, транспортные свойства, свойства материалов под давлением, оптические свойства, термодинамические характеристики и прочее. Полученная информация исчерпывающе характеризует исследуемые материалы. Возможность разработки своих измерительных модулей позволяет проводить уникальные научные эксперименты на мировом уровне.
Материалы, разрабатываемые и исследуемые в такого рода центрах, используют абсолютно во всех сферах науки и техники: в медицине, авиа- и кораблестроении, энергетике, приборостроении, микроэлектронике и т. д. За счет новых или улучшенных свойств материалов можно оптимизировать существующие или создать принципиально новые системы и оборудование. Приведу пример: если получится синтезировать безредкоземельные постоянные магниты на основе фазы тетратенита (это сплав FeNi), произойдет технологическая революция в области энергетики, так как эти материалы придут на замену дорогостоящим постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов.
Комментарии подготовлены при поддержке «Проекта 5-100»