Четыре года назад журнал "Наука и жизнь" опубликовал статью доктора химических наук, профессора Г. Браницкого из Минска "Неживая природа. Такая ли она неживая?" (см. "Наука и жизнь" № 6, 2003 г.). В статье рассказывалось о явлениях, протекающих при электролитических реакциях (например, восстановление ионов серебра, контактирующего с активными металлами). Подчеркивалось, что по крайней мере внешне они похожи на явления и процессы, которые протекают в живых, биологических объектах. Мне представляется, что тема эта интересна и ее следовало бы продолжить на страницах журнала. Исследования, проведенные нами в Уральском государственном университете им. А. М. Горького, показали, что в тонких магнитных пленках, помещенных в переменное магнитное поле низкой частоты, тоже происходит "конкурентная борьба" и самоорганизация доменов.
Изучая свойства различных магнитных веществ, мы неоднократно наблюдали явления, которым при желании можно найти аналоги в живой природе. Приведу несколько примеров, предварительно сделав ряд кратких пояснений.
Известно, что в магнитных кристаллах магнитные моменты атомов выстроены таким образом, что кристалл обладает спонтанной намагниченностью J, ориентированной вдоль определенных кристаллографических осей - осей легкого намагничивания. Их может быть несколько или всего одна. В последнем случае кристалл называют магнитоодноосным. Если магнитные моменты атомов (как маленькие магнитные стрелочки) выстроены в одном направлении, образец, подобно постоянному магниту, обладает максимальной магнитной энергией. Такое положение неустойчиво - все природные процессы идут в сторону уменьшения энергии. Поэтому в образце возникает доменная структура - макроскопическая система областей (доменов) с разной ориентацией векторов J, так что весь образец в целом оказывается немагнитным*.
Рис. 1. Типичные картины лабиринтной доменной структуры пленок с перпендикулярной анизотропией в отсутствие магнитного поля (а) и в последовательно увеличивающемся поле одного (б, в, г) и противоположного (д, е, ж) направления. Векторы намагниченности в доменах Js направлены "к нам" и "от нас"
Основными объектами наших исследований стали тонкие монокристаллические пленки ферритов-гранатов, общая формула которых R3Fe5O12 (где R - редкоземельный элемент) с одноосной перпендикулярной магнитной анизотропией и с исходной лабиринтной доменной структурой (рис. 1а). Она выявляется с помощью микроскопической методики, основанной на эффекте Фарадея: через образец пропускается поляризованный пучок света, при прохождении через соседние домены с антипараллельными векторами намагниченности J плоскость поляризации поворачивается в противоположные стороны. Соответственно с помощью анализатора обеспечивается разная интенсивность света, прошедшего через соседние домены. В итоге наблюдается контрастная картина доменной структуры (рис. 1). В доменах намагниченность J направлена "к нам" и "от нас".
Рассмотрим типичную картину изменения такой лабиринтной доменной структуры в процессе намагничивания образца (см. рис. 1) в постоянных (статических) полях, ориентированных вдоль оси легкого намагничивания, то есть перпендикулярно наблюдаемой поверхности. С ростом напряженности внешнего пространственно однородного магнитного поля одного направления (пусть H - направлено "от нас") растут ширина и площадь (и соответственно объем) "темных" доменов (рис. 1б, в). В поле Н+ противоположного направления (рис. 1д, е), наоборот, увеличивается площадь, а значит, и объем светлых доменов с противоположной ориентацией вектора J. При этом домены имеют неправильную изогнутую форму. В поле HS достигается намагниченность насыщения (рис. 1г, ж). Обратим внимание на то, что при многократном повторении процесса намагничивания (рис. 1a, б, в, г) и перемагничивания (рис. 1а, д, е, ж) конфигурация доменов не воспроизводится.
Теперь рассмотрим поведение лабиринтной доменной структуры (рис. 1а) в переменном, пространственно однородном и непрерывно действующем магнитном поле H(t). Например, H(t) - гармоническое поле H~= H0sin2pft, где H0 - амплитуда поля, f - циклическая частота**.
В микроскоп видно, что при малых амплитуде и частоте доменные границы колеблются около исходных положений равновесия; с ростом напряженности магнитного поля H и его частоты f начинается движение доменов. Они изгибаются, разрываются и смещаются в разных направлени ях с разными скоростями. По мере увеличения H и f движение становится все более интенсивным, так что картина расплывается в более или менее однородный серый фон. Но фотография с достаточно малой экспозицией фиксирует "мгновенную картину" неупорядоченной динамической доменной структуры. Мы называем эту структуру пространственно-временным доменным хаосом или просто "хаосом".
Увеличивая далее амплитуду Н и частоту f, но оставляя Н < HS, можем увидеть, как вдруг на сером фоне появляются контрастные, упорядоченные структуры в виде спиральных доменов. Это может быть один многовитковый спиральный домен или несколько. Значит, пошел процесс самоорганизации неупорядоченного коллектива динамических доменов. Самое интересное происходит дальше. Возникший спиральный домен, просуществовав некоторое время Tg (мы назвали его временем "жизни" домена), быстро исчезает. Опять наблюдается только серый фон. Однако через некоторое время Tw, названное нами временем "ожидания", на контролируемой области образца снова возникает другой или несколько других спиральных доменов, которые снова "живут" - исчезают - появляются - пропадают, и так все время, пока остаются подходящими и неизменными амплитуда и частота переменного поля. Иными словами, идет самогенерация процессов возникновения <-> исчезновения динамических упорядоченных доменных структур.
Время "жизни" спиралей зависит от параметров переменного поля и характеристик образцов и может в сотни или тысячи раз превышать период переменного поля, то есть упорядоченные динамические доменные структуры устойчивы.
Описанное возбужденное состояние многодоменной магнитной среды мы назвали ангерным состоянием (от английского anger state - сильно раздраженное, гневное состояние). Явление было открыто в 1998 году и сегодня активно исследуется. Экспериментальные и теоретические результаты его изучения обобщены в упомянутой в ссылке на стр. 28 обзоре Г. С. Кандауровой.
Рис. 2. а) Многовитковый динамический спиральный домен, близкий по форме к спирали Архимеда, в пленке (YSm)3(FeGa)5O12 толщиной 5 мкм, в поле типа симметричный меандр с амплитудой 40 Э и частотой 300 Гц. б) Многовитковый гофрированный спиральный динамический домен в пленке (YLuBi)3(FeGa)5O12 толщиной 9,5 мкм в переменном гармоническом поле с амплитудой 43 Э и частотой 3 кГц
Спиральные домены в разных образцах могут сильно отличаться друг от друга. Например, это могут быть исключительно красивые спирали, почти идеальной формы (рис. 2а) или очень нарядные спирали с гофрированными витками (рис. 2б).
Рис. 3. Вид динамической доменной структуры пленки (TmBi)3(FeGa)5O12 в переменном гармоническом поле с амплитудой и частотой соответственно: а - 51 и 0,25; б - 46 и 1; в - 43 Э и 5 кГц
На рис. 2 представлены разные динамические доменные структуры в разных образцах пленок ферритов-гранатов. Но оказалось, что в одном и том же образце на одном и том же месте можно наблюдать очень впечатляющие картины преобразования динамической структуры при изменении частоты и амплитуды переменного поля (рис. 3). Так, при малой частоте (рис. 3а) видны какие-то скрюченные, неправильной формы спиральные мотки. Из них с увеличением частоты образуются весьма приличные спиральные домены (рис. 3б). А далее с ростом частоты поля, как правило, формируется плотная упаковка спиральных доменов (рис. 3в), заполняющая весь образец.
Рис.4. Спиральные динамические домены в пленке феррита-граната (YSm)3(FeGa)5O12 в переменном поле типа меандр с частотой 300 Гц и амплитудой 80 Э, сфотографированные с одного и того же места образца последовательно с интервалом менее одной минуты (а, б, в)
Теперь, может быть, самое удивительное. Ничего не меняем, лишь наблюдаем в микроскоп одно и то же место пленки в поле, частота и амплитуда которого (Н, f) соответствуют области ангерного состояния. Вот на сером фоне возник большой спиральный домен (рис. 4а). Он ведет себя как "живой" - его витки колеблются и изменяют свою конфигурацию. Это видно по серому ореолу вокруг черных и белых витков. Просуществовав время Tg, домен быстро исчезает. Опять виден только серый фон. Однако через время Tw на этом же месте образца возникают два спиральных домена (рис. 4б) с одинаковой закруткой (одинаковыми топологическими зарядами). Прожив время Tg, исчезают, и через Tw появляются другие две спирали (рис. 4в). Теперь домены имеют разные заряды.
По сгущению витков видно, что в первом (рис. 4б) и во втором (рис. 4в) случае спиральные домены сжимают друг друга. Максимальные значения характерных времен "жизни" Tg и "ожидания" Tw составляет 10-30 секунд при частоте поля 200 Гц и с ростом частоты резко уменьшаются. Предугадать, какие именно спиральные домены возникнут, не представляется возможным: процесс этот случайный.
Рис. 5. Взаимодействие спиральных доменов в пленке (YSm)3(FeGa)5O12 с протяженным дефектом - царапиной. Кадр из кандидатской диссертации А. Э. Свидерского, 1994 г., Уральский госуниверситет (г. Екатеринбург)
На рис. 5 продемонстрирована эффектная картина взаимодействия спирального домена с протяженным дефектом пленки - царапиной. Большой спиральный динамический домен с трудом огибает конец царапины. На помощь ему приходит второй небольшой домен и, как видно по сжатию витков, начинает подталкивать первый. К сожалению, время их "жизни" закончилось раньше, чем они обогнули препятствие.
Процессы возникновения и исчезновения спиральных доменов происходят настолько быстро, что при визуальном микроскопическом исследовании невозможно заметить, каким образом протекают эти процессы.
Рис. 6. Возникновение, формирование (а, б, в) и разрушение (г, д, е) динамического спирального домена в гармоническом магнитном поле с частотой 2,56 кГц и амплитудой 45,7 Э. (Кандаурова Г. С., Осадченко В. Х/ Физика металлов и металловедение, 2004, т.17, с. 38-54.)
Но с помощью микровидеосъемки нам удалось просмотреть всю "жизнь", от начала до конца, одного спирального домена, не взаимодействующего с другими, то есть окруженного только доменным хаосом (рис. 6). Сначала из хаоса (рис. 6а) появляется маленький устойчивый двухвитковый спиральный домен - зародыш (рис. 6б). Далее он начинает "жить" и "отвоевывать жизненное пространство": увеличивать диаметр, число витков. На рис. 6в их около десяти, картина четкая, контрастная, в форме почти идеальной спирали Архимеда. Но уже появились первые искажения на внешних витках. С течением времени этот домен разрастается и накручивает более тридцати витков (рис. 6г). При этом из-за ежедневного взаимодействия (если за "день" условно принять один период поля) с окружающим пространственно-временным доменным хаосом витки спирального домена все более искажаются, они становятся изломанными. С течением времени накапливается число изломов. Но при этом внутренние витки остаются почти неизменными.
Однако по прошествии некоторого времени, в данном случае через 1,03 секунды, начинается резкая потеря витков, разрыхление центральной части спирального домена (рис. 6д). И еще через 0,05 секунды от него остаются лишь жалкие остатки (рис. 6е), которые исчезают уже на следующем кадре видеофильма. Итого, заметим, этот домен "прожил" более одной секунды при частоте поля 2500 Гц (если продолжить аналогию, то этот домен прожил около 7 "лет").
Рис. 7. Зависимость числа витков динамического спирального домена, показанного на рис. 6, от времени: Tg - полное время "жизни" спирального домена; TL - время, в течение которого этот домен сохранял приблизительно 20 витков
Глядя на рис. 6, так и хочется назвать спиральный домен 6в "молодым", 6г - "зрелым", "познавшим жизнь и удары судьбы", 6д - "стареющим", а 6е - "старым, дряхлым", разваливающимся доменом. На графике зависимости числа витков от времени (рис. 7) три самых значимых периода в "жизни" этого спирального домена - "молодость" - "зрелость" - "старость" - выделяются очень четко.
Заметим еще, что есть в "жизни" некоторых спиральных доменов "тяжелые моменты": например, многовитковый домен начинает резко "худеть" и терять витки (20 витков за секунду!). Казалось, он обречен, сейчас развалится и погибнет, но нет! Это была "болезнь", которую домен преодолел, выправился и снова накрутил витки, почти до максимального значения (24 витка). Однако через 2,8 секунды кончилось отведенное ему судьбой время "жизни".
Рис. 8. Взаимодействие спиральных динамических доменов в той же пленке, что на рис. 6. (Кандаурова Г. С., Осадченко В. Х/ Физика металлов и металловедение, 2004, т. 17, с. 38-54.)
Теперь рассмотрим различные этапы "жизни" и взаимодействия нескольких спиральных динамических доменов (рис. 8). На наблюдаемом участке того же пленочного образца, что и на рис. 6, возникли четыре спиральных домена (рис. 8а). Сначала домены не соприкасаются. Скажем так: обстановка спокойная, но каждый из доменов растет, увеличивая число витков, и через некоторое время сталкиваются (рис. 8б). Ситуация меняется коренным образом. Каждый из спиральных доменов "хочет отвоевать себе территорию" для дальнейшего роста. Их витки натянуты, как струны. На рис. 8б прямо-таки видно, насколько напряженная, воинственная создалась обстановка. В "битву" вступает еще один большой домен (сверху слева). Общими усилиями связанные между собой "агрессоры" "задавили-таки" зажатый со всех сторон маленький доменчик (рис. 8в). Но при этом сильно пострадал и еще один небольшой домен (рис. 8г, внизу). А дальше? Хотелось бы видеть продолжение схватки. Но у всех оставшихся участников "побоища" кончилось время, и они исчезли.
Конечно, я привела только малую часть результатов наблюдения динамических доменных структур. Надо бы остановиться на системах из кольцевых концентрических динамических доменов, на гигантских радиальных, радиально-кольцевых доменах. Следовало бы упомянуть о разных типах плотных упаковок доменов, об источниках динамических доменов и многом другом, но это уже за рамками данной статьи.
Наблюдая доменные картины непосредственно в микроскоп и анализируя кадры микровидеофильма, трудно отогнать мысль, что мы имеем дело в каком-то плане с "живыми" объектами, или по крайней мере не задаться тем же вопросом, что и Г. Браницкий: "Неживая природа, такая ли она неживая?".
Комментарии к статье
*Подробнее об этом см., например, Кандаурова Г. С. Хаос, порядок и красота в мире магнитных доменов. - Изд. Уральского госуниверситета, 1997, № 5, с. 31-52.
**Более подробно о методике см. Кандаурова Г. С. Новые явления в низкочастотной динамике коллектива магнитных доменов // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 10, с. 1165-1187.
|
