CC BY
16ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2017, том 27, № 3, c. 65-69
ФИЗИКА И ХИМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УДК 537.622.3-022.532:543.422.3- 74 © А. И. Жерновой, Ю. В. Улашкевич, С. В. Дьяченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИК-СПЕКТРА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ОТ ИНДУКЦИИ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Коллоидный раствор ферромагнитных наночастиц магнетита, находящийся в магнитном поле, имеет колебательно-вращательный ИК-спектр поглощения. Энергия колебательных уровней не зависит от индукции внешнего магнитного поля, а энергия вращательных уровней от нее линейно зависит. Эффект можно объяснить переориентацией под действием фотонов магнитных моментов наночастиц в магнитном поле.
Кл. сл.: магнитная жидкость, магнитное поле, колебательно-вращательный ИК-спектр, однодоменные ферромагнитные наночастицы
ВВЕДЕНИЕ*
В предыдущих наших работах[1-3] было показано, что ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле является дискретным и имеет колеба-тельно-вращательнную структуру, отличающуюся от похожей структуры молекулярных спектров тем, что расстояния между колебательными линиями сравнимы с расстояниями между вращательными линиями и имеют величину порядка нескольких электронвольт. В настоящей работе исследуется зависимость положений спектральных линий от индукции внешнего магнитного поля.
ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛОЖЕНИЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ И ВРАЩАТЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ ИК-СПЕКТРА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ОТ ИНДУКЦИИ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В Приложении на рис. П1-П3 приведены ИК-спектры магнитной жидкости, полученные на ИК-спектрометре Perkin Elmer при трех значениях индукции внешнего магнитного поля: В\ = = 300 мТл, В2 = 700 мТл, Вз = 800 мТл. Как было показано в работе [3], на этих спектрах имеются линии, похожие по их взаимному расположению на колебательные и вращательные линии молекулярных спектров. Максимумы колебательных линий регистрируются при резонансных волновых числах Kn0, где n — колебательные квантовые числа, а максимумы вращательных линий при резонансных волновых числах KnJ и Kn-J, где индексами J и -J обозначены вращательные квантовые числа при ориентациях магнитного момента под
) В статье отмечены опечатки: единицы мТл везде следует читать как Гс.
углами соответственно больше и меньше к/2 к направлению В.
Из рисунков можно сделать следующие заключения.
1) В первой колебательно-вращательной серии (п = 1) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число К10 = 1300 см-1 одинаково, т. е. при изменении индукции внешнего магнитного поля оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа 'Кп] (верхний левый индекс означает номер рисунка) меняются, принимая значения 1К11 = 1600 см-1, 1К12 = 2200 см-1, 1К13 = 3420 см-1 (В = ВО; 2К„ = 1880 см-1, 2К12 = 3350 см-1 (В = В2); 3К„ = 2120 см-1, 3К12 = 3700 см1 (В = В3).
2) Во второй колебательно-вращательной серии (п = 2) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число К20 = 2370 см-1 одинаково, т. е. при изменении магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа гК2] при увеличении индукции В меняются, принимая значения 1К21 = 2600 см-1, 1К2-1 = = 2100 см-1, 1К22 = 3100 см-1, 1К2_2 = 1600 см-1, 1К23 = 4600 см-1 (В = В1); 2К21 = 3020 см-1, 2К2-1 = 1730 см-1, 2К22 = 4320 см-1 (В = В2); 3К21 = 3150 см-1, 3К2_1 = 1580 см-1, К = 4700 см-1 (В = В3).
3) В третьей колебательно-вращательной серии (п = 3) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число К30 = 3430 см-1 одинаково, т. е. при увеличении магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа гК3] при увеличении магнитной индукции В меняются, принимая значения 1К31 = 3680 см-1, 1К3-1 = 3180 см-1, 1К32 = 4180 см-1, 1К3-2 = 2670 см-1 (В = В1); 2К31 = 4030 см-1, 2К3_1 = 2830 см-1, 2К3-2 = 1570 см-1 (В = В2); 3К31 = 4200 см-1, 3К3-1 = = 2640 см-1 (В = В3).
66
А. И. ЖЕРНОВОЙ, Ю. В. УЛАШКЕВИЧ, С. В. ДЬЯЧЕНКО
4) В четвертой колебательно-вращательной серии (п = 4) на всех трех рисунках резонансное колебательное квантовое число К40 = 4420 см1 одинаково, т. е. при возрастании магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа К41 при увеличении магнитной индукции В меняются, принимая значения К41 = = 4650 см-1, К« = 4170 см-1, К42 = 5170 см-1, К« = 3670 см-1 (В = В1); К41 = 5080 см-1, К« = = 3750 см-1, 2К4_2 = 2470 см-1 (В = В2); = = 3630 см-1, 3К4_2 = 2050 см-1 (В = В3).
ОБЪЯСНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Можно отметить следующие полученные в предыдущем параграфе результаты.
1) Представленные в Приложении на рис. П1-П3 ИК-спектры магнитной жидкости обусловлены действием на ферромагнитные наночастицы магнитного поля, т. к. они получены вычитанием спектров, снятых при действии и без действия на магнитную жидкость магнитного поля.
2) Резонансные колебательные волновые числа Кп0 от индукции приложенного магнитного поля не зависят.
3) Резонансные вращательные волновые числа Кп] (I > 0) при изменении индукции внешнего магнитного поля линейно меняются. Первый результат (появление колебательно-вращательного ИК-спектра магнитной жидкости только при действии на нее внешнего магнитного поля) можно объяснить тем, что ИК-спектр возникает при взаимодействии ИК-излучения с конгломератами наноча-стиц, возникающими в магнитной жидкости при действии на нее внешнего магнитного поля. Результат второй — независимость резонансных колебательных волновых чисел от индукции внешнего магнитного поля — можно объяснить тем, что колебания, возбуждаемые действием резонансного ИК-излучения, возникают в квазиупругом поле обменных сил, которые от индукции В приложенного магнитного поля практически не зависят, поэтому и резонансная частота вынужденных колебаний, определяющая резонансное колебательное волновое число, не зависит от В. Результат третий — линейную зависимость резонансных вращательных волновых чисел от индукции внешнего магнитного поля В — можно объяснить тем, что при резонансных вращательных волновых числах фотоны ИК-излучения вызывают освобождение магнитных моментов однодо-менных ферромагнитных наночастиц от сил обменного взаимодействия и их переориентацию относительно направления внешнего магнитного поля. Энергия, затрачиваемая на преодоление об-
менного взаимодействия, не зависит от В, а энергия, затрачиваемая на переориентацию магнитного момента, пропорциональна В, поэтому значения резонансных волновых чисел линейно связаны с индукцией В. Можно предположить, что преодоление сил обменного взаимодействия происходит за счет энергии колебательных уровней, которая превышает энергетическую температуру Кюри. Проверим это.
СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГИЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ УРОВНЕЙ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ КЮРИ
Энергия первого колебательного уровня Е1 = = ^сК10 = 6.610-3431081.3105 = 25.7 10-21 Дж = = 0.16 эВ.
Энергия второго колебательного уровня Е2 = = h•с•1K20 = 6.6-10-34-3-108-2.37-105 = 46.7-10-21 Дж = = 0.29 эВ.
Энергия третьего колебательного уровня Е3 = = ^сК30 = 6.610-3431083.43105 = 68 10-21 Дж = = 0.42 эВ.
Температура Кюри магнетита Тк = 858 К. При этом энергетическая температура Кюри (энергия тепловых колебаний при температуре Кюри) Еоб = Т = 1.38-10-23 • 858 = 11.810-21 Дж = = 0.074 эВ (к — постоянная Больцмана). Сравнение показывает, что энергии всех колебательных уровней превышают тепловую энергию при температуре Кюри магнетита. Следовательно, вызванные ИК-излучением колебания магнитных моментов однодоменных наночастиц могут преодолеть силы обменного взаимодействия, вызывающие образование конгломератов, препятствующих переориентации магнитных моментов отдельных наночастиц в магнитном поле.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные в настоящей работе ИК-спектры магнитной жидкости получены вычитанием спектров, измеренных без действия на магнитную жидкость внешнего магнитного поля, из спектров, измеренных при действии на магнитную жидкость магнитного поля. Следовательно, положительные пики, наблюдаемые на рисунках в Приложении, возникают в результате поглощения энергии ИК-излучения при действии на магнитную жидкость магнитного поля. При резонансных колебательных волновых числах энергия фотонов затрачивается на возникновение колебаний наночастиц в поле сил межчастичного взаимодействия, а при резонансных вращательных волновых числах на переориентацию магнитных моментов наночастиц во внешнем магнитном поле. Поглощение магне-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИК-СПЕКТРА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ.
67
тиками электромагнитного излучения ИК-лазера наблюдалось экспериментально [4], однако оно не связывалось с действием внешнего магнитного поля. Зависимость положений вращательных ли-
ний от индукции внешнего магнитного поля, по-видимому, можно использовать для определения магнитных моментов наночастиц.
ПРИЛОЖЕНИЕ
¿г
J
■
/
/т
\ /
£
^-К
Ку_Кг 5
Кг-.
■_К
Кг.
К» к
К 12
К13
K, см-1
Рис. П1. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В\ = 300 мТл
0-010 -
0 008
0.009 -
0-004 -
0.002 -
Рис. П2. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В2 = 700 мТл
А J Кю г' г / / Ч \ \ / / V \ \ \ \ \ 1
к 1-: К bi к » к Л
К К м К 30 к 31 \
к и к к К \
к 11 К [2
т—|— — —I——|—I—I—I—н—h—'—I——•—г—'—1—| |—|—|—I I—I—г—1—1—^——I—•—•—1—1—I—
1500 2000 2500 3000 ЗбОО 4000 4500 5000
K, см-1
68 А. И. ЖЕРНОВОЙ, Ю. В. УЛАШКЕВИЧ, С. В. ДЬЯЧЕНКО
У Км А / / у |-Л- _ у X "S \ \ / / / / J Л \ \ \ \
к к 4-1 К
К 1-1 к 30 к 31 \
к M H ю к 11 К В V-
К LI К 12
1500 2000 2500 3000 350 0 4000 4500 5000
K, см-1
Рис. П3. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В3 = 800 мТл
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жерновой А.И., Улашкевич Ю.В., Дьяченко С.В. Исследование инфракрасного спектра поглощения магнитной жидкости в магнитном поле // Научное приборостроение. 2016. Т. 26, № 2. С. 60-63. URL: http://213.170.69.26/mag/2016/abst2.php#abst8.
2. Жерновой А.И., Улашкевич Ю.В., Дьяченко С.В. Дискретность магнитных моментов однодоменных ферромагнитных наночастиц // Научное приборостроение. 2017. T. 27, № 1. С. 72-76. URL: http://213.170.69.26/mag/2017/abst1.php#abst12.
3. Жерновой А.И., Улашкевич Ю.В., Дьяченко С.В. Исследование структуры ИК-спектра ферромагнитных наночастиц в магнитном поле // Научное приборостроение. 2017. T. 27, № 2. C. 61-65. URL: http://213.170.69.26/mag/2017/abst2.php#abst8.
4. Mikhaylovskiy R.V., Hendry E., Secchi A., Mentink J.H., Eckstein M., Wu A., Pisarev R.V., Kruglyak V.V., Katsnel-
son M.I., Rasing Th., Kimel A.V. Ultrafast optical modification of exchange interactions in iron oxides // Nat. Commun. 2015. Vol. 6. Art. number 8190. Doi: 10.1038/ncomms9190.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)
Контакты: Жерновой Александр Иванович, [email protected]
Материал поступил в редакцию 4.07.2017
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2017, Vol. 27, No. 3, pp. 65-69
THE STUDY OF DEPENDENCE THE INFRARED SPECTRUM OF MAGNETIC FLUID FROM MAGNETIC FIELD
A. I. Zhernovoy, Yu. V. Ulashkevich, S. V. Diachenko
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Russia
Colloidal solution of ferromagnetic magnetite nanoparticles in magnetic field has vibrational-rotational IR spectrum. The energy of the vibrational levels does not depend on the induction of the external magnetic field, and the energy of the rotational levels depends linearly on it. The effect can be explained by the reorientation under the action of photons of the magnetic moments of nanoparticles in magnetic field.
Keywords: magnetic fluid, magnetic field, vibrational-rotational IR spectrum, single-domain ferromagnetic nanoparticles
REFERENСES
1. Zhernovoy A.I., Ulashkevich Yu.V., Diyachenko S.V. [Magnetic fluid in magnetic field infrared absorbtion spectra investigation]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2016, vol. 26, no. 2, pp. 60-63. Doi: 10.18358/np-26-2-i6063. (In Russ.).
2. Zhernovoy A.I., Ulashkevich Yu.V., Diachenko S.V. [The discreteness of magnetic moments of single-domain ferromagnetic nanoparticles]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2017, vol. 27, no. 1, pp. 7276. Doi: 10.18358/np-27-1-i7276. (In Russ.).
3. Zhernovoy A.I., Ulashkevich Yu.V., Diachenko S.V.
Contacts: Zhernovoy Aleksandr Ivanovich, [email protected]
[The study of the infrared spectrum of a magnetic nanoparticles in a magnetic field structure]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2017, vol. 27, no. 2, pp. 61-65. Doi: 10.18358/np-27-2-i6165. (In Russ.).
4. Mikhaylovskiy R.V., Hendry E., Secchi A., Mentink J.H., Eckstein M., Wu A., Pisarev R.V., Kruglyak V.V., Katsnelson M.I., Rasing Th., Kimel A.V. Ultrafast optical modification of exchange interactions in iron oxides. Nat. Commun., 2015, vol. 6, art. number 8190. Doi: 10.103 8/ncomms9190.
Article received in edition: 4.07.2017
