Пора знакомиться с деятельностью учёных Физико-технического института. О проекте на тему «Исследование магнитных и магнитоупругих эффектов в легкоплоскостных слабых ферромагнетиках на основе FeBО3 – материале, перспективном для высокотехнологичных применений в науке, технике и медицине» нам рассказывает заведующий кафедрой физики конденсированных сред, физических методов и информационных технологий в медицине Крымского федерального университета Марк Стругацкий. Исследование проводилось в рамках гранта Российского научного фонда.

В чём суть Вашего исследования?

— В основе наших исследований лежит кристалл FeBO3 − борат железа. Мы синтезируем этот кристалл, и он обладает очень интересным набором свойств. Представьте себе бутылочное стёклышко, которое тянется к магниту. Так вот, он прозрачный и магнитный, и с этим связано очень много интересных свойств. Например, это магнитооптический кристалл, то есть с помощью магнитного поля можно управлять световым потоком, световым лучом. 

Борат железа обладает ещё одним интересным свойством: его магнитные свойства связаны со свойствами упругими. Исследованиям этого явления – магнитоупругости – и посвящен наш грант. Мы изучили эффект, который, на первый взгляд, важен исключительно для фундаментальной науки – взаимодействие звуковой волны с магнитной подсистемой кристалла. На самом деле современная наука делится на фундаментальную и прикладную очень условно. То, что сегодня относится к фундаментальной науке, завтра позволит совершить прорыв в технике, промышленности, медицине. Так всегда было. Это относится даже к таким суперфундаментальным наукам, как квантовая механика и теория относительности. Прошло какое-то время с момента их создания и оказалось, что без опоры на законы этих великих наук невозможно современное освоение космического пространства, строительство атомных реакторов и адронных коллайдеров, прогресс в  IT-технологиях. Сейчас мы живем в эпоху, когда время между открытиями и основанными на них приложениями заметно сокращается. Вот и наши исследования, которые посвящены изучению физических законов, управляющих свойствами материалов, как мы надеемся, в скором времени дадут возможность разрабатывать новые высокотехнологичные устройства для микро- и наноэлектроники, спинтроники, медицины.   

Сейчас, как известно, у человечества назревает большая проблема, связанная с тем, что необходимо быстро обрабатывать и хранить огромное количество информации. Для этого требуются гигантские энергетические ресурсы. Прогресс в этой области приведет к тому, что главными потребителями электроэнергии окажутся хранилища информации. Чтобы этого избежать, нужны устройства, работающие на новых принципах, не потребляющие так много энергии. Дело в том, что информация передаётся быстро, по оптическим волокнам, а обрабатывается сравнительно медленно, в магнитных устройствах. Наш «наукоёмкий» кристалл оказывается чрезвычайно востребованным и здесь. С ним связаны перспективы сверхбыстрой обработки информации, когда обрабатывающее устройство не будет «тормозить» её быструю передачу по световодам.  Мы занимаемся и этой проблемой.  Кроме быстрой реакции на внешние воздействия, наш кристалл отличается чрезвычайно высокой чувствительностью к таким воздействиям. Его магнитная и упругая системы могут служить датчиками сверхслабых магнитных полей, а это – возможность использования бората железа, например, в медицине для изучения полей, которые порождаются тканями организма (сердцем, мозгом).

Какое оборудование Вы используете?

Мы можем выращивать кристаллы бората железа разной формы: в виде тонких пластинок и объёмные. Каждая форма требует своего метода синтеза. Для пластинок – это жидкофазный метод, а для получения объёмных образцов мы разработали и используем газотранспортный метод. Наше главное оборудование – это ростовой комплекс для синтеза кристаллов различными методами. В рамках Программы развития университета мы приобрели очень хорошие ростовые печи. После завершения процесса синтеза кристаллы нужно исследовать. Первое, что происходит с кристаллом, когда его достают из ростовой печки − помещение в рентгеновские установки для изучения его структуры – кристаллического строения и элементного состава. Для этих целей мы приобрели мощный рентгеновский комплекс, включающий рентгеновские дифрактометр и спектрометр. У нас также есть оборудование для исследования магнитных и магнитоакустических свойств.

Какие результаты Вы уже получили?

— В рамках гранта проведён комплекс теоретических и экспериментальных исследований магнитоупругих эффектов, связанных с распространением в кристалле бората железа акустических волн различной конфигурации. Изучено изменение магнитной структуры кристалла под действием высокого давления. В начале же работы мы синтезировали экспериментальные кристаллические образцы. Получить кристаллы – это только один шаг. Самая главная проблема − получить высококачественные, то есть обладающие высоким структурным совершенством, кристаллы. Это самая сложная задача, но мы её решили – высокосовершенные кристаллы получены! Занимаясь фундаментальной наукой, мы всегда думаем о прикладных возможностях наших исследований. В последние годы действительно наметились явные тенденции высокотехнологичных применений бората железа. Недавно мы завершили работу по предыдущему гранту с Институтом кристаллографии Российской академии наук. Мы синтезировали и исследовали эти кристаллы с целью их применения в синхротронных технологиях последнего поколения. Синхротрон − это огромное стальное кольцо – тор – километрового размера, внутри которого разгоняются электроны и движутся с огромными скоростями, близкими к скорости света. При своём движении по кольцу электроны излучают свет, так называемое, синхротронное излучение. Это излучение, как говорят, имеет белый спектр, то есть содержит все частоты. Наш кристалл оказался уникальным для выделения из этого светового спектра узкого спектрального диапазона, то есть кристалл является идеальным монохроматором синхротронного излучения. Это открывает большие перспективы его применения, поскольку синхротронное излучение широко используется в научных и прикладных целях, в медицине. Нужно отметить, что сейчас наблюдается «бум» синхротронных технологий во всём мире. По Указу Президента Российской Федерации они развиваются и в России. Синхротрон четвёртого поколения строится в Новосибирске, откуда к нам уже обратились за кристаллами. Запустить синхротрон планируют в 2024 году.

Кристаллы бората железа являются синтетическими, то есть искусственными. Природных кристаллов такого состава не обнаружено. Впервые маленький кристаллик бората железа был синтезирован в Америке более 60 лет тому назад. Его первооткрыватель Ivan Bernall работал в Принстонском университете, в котором ранее работал Эйнштейн. Он написал нам письмо, в котором поблагодарил за то, что мы продолжаем работу в этом направлении.

Можно с уверенностью сказать, что наша ростовая лаборатория – одна из немногих в мире, где синтезируются высокосовершенные кристаллы на основе бората железа. Мы синтезируем кристаллы не только для собственных исследований, но и для совместных экспериментов с коллегами из многочисленных ведущих научных лабораторий. Нужно отметить, что сейчас существует большой спрос на эти кристаллы в мировых научных центрах, занимающихся различными научными исследованиями и поисками приложений. И, конечно, мы будем продолжать работу, поскольку всякое исследование порождает следующее исследование. И этот процесс, я надеюсь, бесконечный.

Проект «Лидеры научных инноваций» приурочен ко Дню российской науки, который отмечается 8 февраля.