Международная группа учёных из Венского технического университета и Пекинского университета науки и технологий разработала уникальный сплав с рекордно низким коэффициентом теплового расширения. Новый материал, названный пирохлорным магнитом, практически не меняет своих размеров при значительных колебаниях температуры.

Большинство металлов при нагревании расширяются — это хорошо известное явление можно наблюдать даже на примере Эйфелевой башни, которая летом становится на 10-15 сантиметров выше, чем зимой. Однако для многих технических применений такое свойство крайне нежелательно.

До сих пор эталоном низкого теплового расширения считался инвар — сплав железа и никеля. Теперь же учёным удалось создать материал с ещё более впечатляющими характеристиками. Новый четырёхкомпонентный сплав, состоящий из циркония, ниобия, железа и кобальта, демонстрирует практически нулевое расширение в беспрецедентно широком диапазоне температур — более 400 кельвинов. При этом его длина меняется лишь на одну десятитысячную долю процента на каждый кельвин.

Доктор Сергей Хмелевский из Венского научного кластера объясняет, что обычно при повышении температуры атомы в материале начинают активнее двигаться и требуют больше пространства, что приводит к расширению. Однако в новом материале этот эффект компенсируется за счёт особых свойств его магнитной структуры.

Благодаря сложным компьютерным симуляциям учёные смогли детально изучить поведение магнитных материалов на атомном уровне. Выяснилось, что при повышении температуры некоторые электроны меняют своё состояние, что приводит к уменьшению магнитного порядка в материале и его сжатию, практически точно компенсируя обычное тепловое расширение.

Особенность пирохлорного магнита заключается в его неоднородной структуре — состав материала варьируется от точки к точке, создавая области с различным содержанием кобальта. Эти подсистемы по-разному реагируют на изменения температуры, что позволяет достичь практически нулевого общего расширения.

Новый материал может найти применение в авиации, космонавтике и производстве высокоточных электронных компонентов, где критически важна стабильность размеров при значительных перепадах температур.