Физики открыли новый механизм трения

Физики открыли новый механизм трения скольжения — сопротивление движению, возникающее без какого-либо механического контакта и обусловленное исключительно коллективной динамикой магнитных моментов. Эксперименты показали, что он не подчиняется открытому 325 лет назад закону Амонтона.

Этот эмпирический закон связывает силу трения с нагрузкой, отражая наш повседневный опыт: сдвинуть тяжелый шкаф гораздо сложнее, чем легкий стул. Принято считать, что такое поведение обусловлено микроскопическими деформациями поверхностей под нагрузкой: они увеличивают число точек фактического контакта, что и усиливает трение.

В большинстве случаев эти деформации остаются незначительными и не приводят к качественным изменениям внутренней структуры материалов в процессе скольжения. Поэтому оставалось неясным, будет ли закон Амонтона работать, когда скольжение вызывает гораздо более сильные внутренние перестройки, как это возможно в магнитных материалах, где движение способно влиять на магнитный порядок.

Как проходил эксперимент

Чтобы прояснить этот вопрос, исследователи провели настольный эксперимент с двумерной решеткой свободно вращающихся магнитных элементов, движущихся над вторым магнитным слоем. Его результаты опубликованы в журнале Nature Materials.

Хотя два слоя никогда не вступают в физический контакт, их магнитная связь порождает измеримую силу трения. Меняя расстояние между слоями, экспериментаторы регулировали эффективную нагрузку, одновременно наблюдая за тем, что происходит с внутренней магнитной конфигурацией во время движения.

«Изменяя зазор между магнитными слоями, мы можем перевести систему в режим конкурирующих взаимодействий, где роторы постоянно перестраиваются в процессе скольжения», — объясняет Хунри Гу из Гонконгского университета науки и технологии, проводивший эксперименты.

Удивительно, но трение оказывается наименьшим как при малых, так и при больших расстояниях. А на промежуточных дистанциях преобладают конкурирующие взаимодействия: верхний слой «предпочитает» антипараллельную ориентацию магнитных моментов (то есть параллельную, но направленную в противоположные стороны), в то время как нижележащий слой благоприятствует параллельному расположению. Эта несовместимость вынуждает систему переходить в динамически нестабильную конфигурацию.

При скольжении слоев друг относительно друга магниты многократно и с гистерезисом переключаются между этими несовместимыми состояниями, что резко усиливает потери энергии и образует ярко выраженный пик трения.

«С теоретической точки зрения эта система примечательна тем, что трение возникает не от физического контакта поверхностей, а от коллективной динамики магнитных моментов», — поясняет Антон Людерс из Инсбрукского университета, разработавший теоретическое описание.

Конкурирующие магнитные взаимодействия естественным образом приводят к гистерезисным переориентациям в процессе движения и, как следствие, к немонотонной зависимости силы трения от нагрузки. В этом смысле магнитное трение — не нарушение закона Амонтона, а исключение из него.

«Интересно, что трение здесь возникает исключительно за счет внутренней перестройки. Здесь нет износа, нет шероховатости поверхности и нет прямого контакта. Диссипация порождается лишь коллективными магнитными перестройками», — говорит руководивший исследованием Клеменс Бехингер из Констанцского университета.

Зачем это нужно

Поскольку лежащая в основе физика не зависит от масштаба, полученные результаты выходят далеко за рамки макроскопической модели. Аналогичные эффекты могут наблюдаться в атомарно тонких магнитных материалах, где даже незначительные механические смещения способны переключать магнитный порядок. Таким образом, открываются новые пути для изучения магнитных свойств и управления ими с помощью измерений трения.

В долгосрочной перспективе эта работа указывает на возможность создания настраиваемых, не подверженных износу фрикционных интерфейсов. Используя магнитный гистерезис, трением можно будет управлять дистанционно и обратимо, что поможет в создании фрикционных метаматериалов, адаптивных демпферов или бесконтактных регулирующих элементов.

Потенциальные применения бесконечно широки — от микро- и наноэлектромеханических систем до магнитных подшипников, виброизоляции и атомарно тонких магнетиков. Научная польза открытия — прежде всего в изучении неочевидной связи между трением и магнитной динамикой.