Исследователи из Университета Констанца обнаружили новый механизм скользящего трения: сопротивление движению, возникающее без какого-либо механического контакта и обусловленное исключительно коллективной магнитной динамикой. Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, показывает, что трение не обязательно постоянно возрастает с нагрузкой, как постулирует закон Амонтона — один из старейших и наиболее фундаментальных эмпирических законов физики, — а может вместо этого демонстрировать выраженный максимум, когда внутреннее магнитное упорядочение нарушается.

Переосмысление закона трения, которому уже несколько столетий

Более трех столетий закон Амонтона напрямую связывает трение с нагрузкой, отражая повседневный опыт, согласно которому более тяжелые предметы перемещать сложнее; например, чтобы передвинуть тяжелый предмет мебели, требуется гораздо больше усилий, чем чтобы передвинуть легкий стул. Такое поведение обычно объясняется мельчайшими деформациями контактирующих поверхностей под нагрузкой, которые увеличивают количество микроскопических точек контакта и, следовательно, усиливают трение.

В большинстве классических случаев эти деформации остаются небольшими и качественно не изменяют внутреннюю структуру материалов во время скольжения. Поэтому неясно, будет ли закон Амонтона также выполняться, когда скольжение вызывает гораздо более сильные внутренние перестройки, как это может происходить в магнитных материалах, где движение может изменять магнитный порядок.

Эксперимент по бесконтактному магнитному трению

Для исследования этого режима команда провела настольный эксперимент с использованием двумерного массива свободно вращающихся магнитных элементов, движущихся над вторым магнитным слоем. Хотя два слоя никогда не соприкасаются физически, их магнитная связь приводит к возникновению измеримой силы трения.

Варьируя расстояние между слоями, исследователи смогли непрерывно регулировать эффективную нагрузку, непосредственно наблюдая за тем, как изменяется внутренняя магнитная конфигурация во время движения.

«Изменяя расстояние между магнитными слоями, мы смогли привести систему в режим конкурирующих взаимодействий, при котором роторы постоянно перестраиваются по мере скольжения», — говорит Хунри Гу, проводивший эксперименты.

Примечательно, что трение наиболее слабо выражено как на малых, так и на больших расстояниях. Однако на средних расстояниях доминируют конкурирующие взаимодействия: верхний слой предпочитает антипараллельное расположение магнитных моментов (параллельное, но направленное в противоположные стороны), в то время как нижележащий слой предпочитает параллельное расположение. Эта несовместимость приводит систему к динамически нестабильной конфигурации.

По мере скольжения слоев друг относительно друга магниты многократно переключаются между этими несовместимыми состояниями в гистерезисном режиме (это означает, что текущее состояние зависит от его предыдущей истории), что значительно усиливает рассеивание энергии и создает выраженный максимум трения.

Трение, возникающее из-за коллективной динамики вращения

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

Конкурирующие магнитные взаимодействия естественным образом приводят к гистерезисным переориентациям во время движения и, как следствие, к силе трения, которая изменяется немонотонно с нагрузкой. В этом смысле нарушение закона Амонтона является не аномалией, а прямым следствием динамики намагниченности во время скольжения.

«Примечательно, что трение здесь возникает исключительно за счет внутренней реорганизации», — добавляет Клеменс Бехингер, руководивший проектом. «Нет износа, шероховатости поверхности и прямого контакта. Рассеивание энергии происходит исключительно за счет коллективных магнитных перестроек».

Поскольку лежащие в основе физические процессы не зависят от масштаба, результаты выходят далеко за пределы макроскопической модельной системы. Аналогичные эффекты могут возникать в атомарно тонких магнитных материалах, где даже небольшие механические смещения могут изменять магнитный порядок. Таким образом, полученные результаты открывают новые возможности для исследования и управления магнетизмом посредством измерений трения.

В долгосрочной перспективе эта работа указывает на возможность создания регулируемых фрикционных интерфейсов без износа. Используя магнитный гистерезис, трение можно будет регулировать дистанционно и обратимо, что позволит реализовать такие концепции, как фрикционные метаматериалы, адаптивные демпферы или бесконтактные элементы управления.

Потенциальные области применения варьируются от микро- и наноэлектромеханических систем, где износ ограничивает срок службы устройств, до магнитных подшипников, виброизоляции и атомарно тонких магнитов, где механическое движение тесно связано с внутренним магнитным порядком.

В более широком смысле, магнитное трение открывает новый путь к изучению коллективной динамики спина посредством чисто механических измерений, создавая новую связь между трибологией и магнетизмом.