这个月我们将吸引你的注意力到磁力上，因为我们将探索磁力是什么以及它是如何被诱导的。我们还探讨了磁性在超导体中的作用，以及一类被称为多铁性的材料!此外，我们将为您带来来自光源的最新新闻和事件。
在这一集里
材料和磁性光束线
与史蒂夫·柯林斯，钻石光源
磁力是一个我们都听说过的词。我们中的许多人可能会想到马蹄形磁铁会导致铁等金属飞向它们或其他东西
我们可能在学校的科学课上遇到过条形磁铁。我们在这里看到的力归结于磁场的存在，磁场可以在某些材料中永久存在，或者在其他材料中引起我们随后看到的吸引或排斥。对磁铁和磁场工作原理的深入了解可以使我们今天严重依赖的各种技术受益，例如数据存储。Steve Collins是Diamond’s Materials and magnetic Beamline的首席光束线科学家，他向我介绍了磁性材料的特性和特征。
Steve -最明显和最著名的磁性形式是我们所说的铁磁性，基本上磁性材料会粘在一起如果你从原子的角度看是什么导致的，这是完全一样的，但在更小的长度尺度上。这些微小的磁性原子相互作用，指向同一个方向。但事实上，很多磁性材料是指向其他方向的，它们倾向于彼此指向，或者找到一些其他奇特的模式排列，所以平均来说，没有净磁力。所以你会说这些材料，至少从铁磁的角度来看，是非磁性的，但是在原子尺度上是非常具有磁性的并且具有非常有趣的磁性
米拉:所以这本质上归结为单个原子在原子尺度上的电荷?
史蒂夫-确实如此，但重要的不是电荷的静态性质，而是它们在运动的事实，你几乎可以想象电子绕着原子核的行星轨道，就像恒星一样，它们沿着一定的方向运动。你可以想象每个原子都有南极和北极理解原子尺度上的结构，对称性和电子性质对于理解材料的工作原理是至关重要的。
Meera -这些知识的应用和对磁性的理解如何，它在日常社会中扮演什么角色，比如日期存储?
史蒂夫:嗯，数据存储显然是目前最大的增长领域，当然，使用强力磁铁制造电动机，但越来越多地，这些非常奇特的磁性结构有望在电子设备中得到应用。
米拉-史蒂夫，你是材料和磁性光束线的首席科学家，在这条光束线上正在进行什么类型的研究?
Steve -在这条特殊的光束线上我们观察材料在原子长度尺度上的磁性和相关的特性，所以结合相当传统的x射线衍射方法用来了解物理和生命科学中各种材料的晶体结构，观察相对简单的结构，但我们看得更详细，从这些测量中确切地了解磁性在原子尺度上的位置。我们可以看到磁性在哪里，我们可以看到哪些原子是磁性的，我们甚至可以计算出磁性的原因，根据它是主要来自材料中每个电子的固有磁性，还是因为电子在原子周围的运动。
Meera:我们现在来到了你的光束线旁边，有一个很好的金属管，x射线很明显是从那里出来的，在金属管的前面有一个区域可以放置样品，然后有一些东西在它周围移动，我可以想象它会从晶体中拾取散射物。
确实，我们称之为衍射仪它实际上是一个大机器人。机器人有两只手;机器人的一只手拿着我们正在研究的样品，并将其移动到我们需要的位置，机器人的另一只手将拿着检测样品散射的x射线的设备，为了进行测量，我们必须同步机器人两只手的运动。
Meera -看看样品实际安装的位置，有一个金属圆柱体，它看起来像一个相当复杂的工程，只是为了放置样品的位置?
史蒂夫:没错，这是因为我们感兴趣的很多材料都有随温度变化的特性，你正在研究的特殊设备可以把我们的温度降低到绝对零度以上4度。
米拉:那么冷?
史蒂夫:好冷啊!
Meera:有没有一个样品的例子，当x射线照射到它时，它会引起什么样的衍射?
Steve -我们研究的很多材料都被称为反铁磁体在这些材料中原子尺度的磁体倾向于指向彼此，但从衍射的角度来看，重要的是它们在样品中形成了额外的周期性。所以它很像衍射光栅，就像你从CD上看到的光的衍射，但是因为磁性形成了额外的周期性，它会在一定角度上散射如果没有磁性，就不会有任何散射。好的是，我们有一个非常清晰的信号，向我们展示了我们感兴趣的效果。我们可以挑出磁力，或者一些相关的过程，专门研究它。
米拉:那么这些知识有什么用途呢?
史蒂夫:很大程度上，事实上几乎完全是，在基础科学中，这是一个理解材料特性的问题。所以晶体中所有磁矩的位置，它们指向的方向同时我们也经常研究很小的位移。我的意思是，这些位移只是原子大小的很小一部分，但位移对材料的性质有至关重要的影响，我们可以看到那些使用完全相同类型设备的人。
Meera - Steve Collins, I16材料和磁性束线的首席束线科学家。
多铁性
与牛津大学的Paolo Radaelli合作
Meera - Paolo Rudelli是牛津大学的实验哲学教授，他使用光束线来研究一类被称为多铁性的材料。这些材料对磁场和电场都有反应，这种反应会导致它们的性质发生变化，对这种变化的理解可以在未来更好地控制磁性介质。Paolo详细解释了这些材料。
保罗-本质上，多铁性材料可以用两个不同的领域来解决。目前的材料可以读或写，但只是基于它们的磁性。我们已经知道，爱因斯坦的相对论规定磁和电是同一现象的两种表现形式，如果你有一个速度与光速相当的物体，它们可以相互交换，这正是我们正在利用的现象，来创造可以用电读写的材料，这是一种更节能，更快的解决材料的方法，但是它们仍然可以磁性地保存信息，这也是非常非常有效的。
米拉:那么这样做的好处是什么呢?
保罗:我们可以制造电子设备，特别是电子存储和信息处理设备，它们更小，消耗更少的能量，我们都知道笔记本电脑没电是多么烦人
电池没电的I-pod。
Meera -多铁性材料是指通过施加磁场或电场来改变其磁性的材料。
没错，这里的想法是，你可以施加一个电场而不是磁场，你可以改变一个比特的信息状态。
米拉:你能举一些多铁化合物或材料的例子吗?
多铁质倾向于是氧化物，简单的氧化物，比如氧化铬。氧化铁，或者普通的铁锈，或者更确切地说，被称为磁铁矿的黑色氧化铁，也被认为具有多铁性——简单的二元氧化物，只有一种金属与氧结合——一直到更复杂的结构，例如我们称之为六氟化物的结构，它有4或5种不同的金属。它们仍然是相当常见的放置材料，如果你想的话，你可以在冰箱贴中找到它们。
米拉:你提到的所有这些材料，它们的复杂程度各不相同，但它们都有可能在数据存储等方面发挥作用?
保罗:它们都有用处。如果你能首先理解它们是如何工作的，这也是我们在戴蒙德正在努力做的一部分，并与当前的电子设备集成，这是一个很大的挑战，特别是对应用研究来说，因为你必须把这些不同类型的材料放在一个芯片上，通常只有硅和硅氧化物，这是一个很大的技术挑战。
就像你提到的你正在研究它的一些基本原理来更多地理解它，一个关键的问题似乎是这些多铁材料必须在温度下运行才能引起这些性质的变化
这是一个很大的问题，但我们知道我们已经有了可以在室温甚至更高温度下运行的材料。例如，像氧化铬这样的物质在室温下具有这些特性，但有时我们也研究这些特性在极低温度下显示出来的材料。这些材料是第一个出现新型现象的材料，或者说多铁性的基本原理，它们是我们必须尝试理解这种现象的第一个模型。这就是为什么我们有时关注那些只在低温下工作的材料。从某种意义上说，如果我们能破解这个秘密，那么我们就能让我们的化学家同事找到元素的正确组合，这样这些材料就能在室温下工作。
Meera -在Diamond，你们正在使用x射线散射等技术来观察特定的结构或排列。你发现了什么，最近有什么发现?
我们能做的是，例如，当我们施加电场时，直接看到磁性结构的变化。晶体中磁矩的排列形成了一个微小的电场，这个电场响应外部电场，当你移动内部电场时，晶体的内部极化受到外力的影响，然后自旋随之产生。所以你通过施加电场来改变自旋系统这就是我们要做的最终目标。如果我们能在室温下用一种廉价的材料做到这一点，并且可以集成到电子设备中，那么我们就达到了研究的目标。
Meera -了解这些特殊材料的工作原理和功能，以及如何改变它们的特性，然后希望它们能被用于什么?
保罗,所以我们希望使用这些材料在磁存储信息形式然后改变信息的状态说从零到一分之一,但而不是做它通过应用一个磁场,真的很麻烦,不能按比例缩小,很小的尺寸,我们可以应用电场更本土化,它有非常低的能源消耗,当我们把它放到一个设备,你可以有一个更加紧凑,更快和更好的系统。
Meera - Paolo Radaelli来自牛津大学。
新闻更新-弹性蛋白和蚯蚓
与钻石光源的Sarah Boundy合作
Meera -这是四月版的钻石光源播客，我是Meera Senthilingam，这个月我们用磁力来吸引你的注意力，因为我们探索了磁性的原子本质。但是，在我们继续引诱你进入原子规模之前，让我们和来自戴蒙德通讯团队的莎拉·邦迪一起了解过去几个月里在这个设施里发生了什么，从一位特别引人注目的访客开始。
萨拉:是的，三月中旬，大学和科学部长大卫·威利茨来拜访我们。他参观了同步加速器，并会见了钻石公司的科学家和一些工业合作伙伴的代表;包括葛兰素史克，劳斯莱斯，Evotech和Infinium UK，当他在这里的时候，他正式启动了第三阶段，所以这是我们接下来的10条光束线，他说他很高兴确认了资金，他还说钻石是真正伟大的科学研究机构之一，不仅在英国，而且在世界各地。
Meera:很高兴他见到了一些在Diamond工作的科学家因为你最近也发表了一些有趣的论文?
是的，我们的出版物数据库很强大。我们已经在那里发表了1250多篇论文。最近的一个亮点是在I22上进行的工作，这是我们的非晶体衍射光束线，这项工作发表在美国杂志PNAS上——美国国家科学院院刊。来自曼彻斯特大学、德克萨斯大学、卡迪夫大学和悉尼大学的研究人员使用Diamond以及法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施(ESRF)和芝加哥的先进光子源，他们正在使用x射线设备来确定Tropoelastin的结构，这是弹性蛋白的主要成分，它允许人类和其他动物的组织伸展。例如，当肺部为了呼吸而扩张和收缩时，或者当动脉在10亿次心跳的过程中扩张和收缩时，弹性蛋白帮助它们做到这一点。
米拉——他们对它的结构有什么发现?
萨拉-他们发现，对流层弹性蛋白是一种弯曲的弹簧状材料，可以延伸到其初始长度的8倍，并在不损失能量的情况下恢复到原始形状。
Meera -我猜这可以应用于合成聚合物来制造弹性材料?
Sarah:是的，弹性材料被广泛应用于服装、车辆、组织工程甚至太空旅行等领域，因此，了解对流层弹性蛋白的结构是如何创造其特殊的弹性特性的，可以促进合成弹性蛋白类聚合物的开发，具有广泛的潜力和好处。
Meera -除了这项研究，还有一个主题的更多发展
就像我们之前报道过的吃金属的蚯蚓一样?
是的，在之前的播客中，我们听到了雷丁大学的马克·霍德森的观点，他在研究蚯蚓作为生态战士的潜力，清理污染土壤中的毒素。所以他和他的同事发表了他们最新的发现，使用I18，也就是我们的微聚焦光谱光束线。他们观察的是不到1毫米长的微小颗粒，它们是碳酸钙颗粒，碳酸钙实际上是蜗牛壳的主要成分。这些颗粒是由生活在铅污染土壤中的蚯蚓排泄出来的。研究小组发现，排出的颗粒中含有大量的铅，这意味着蚯蚓能够摄入铅，然后铅以一种不溶性的金属碳酸盐的形式排出体外，这可能会使金属固定，使植物更难获得铅。
Meera -所以让它们在铅污染的地方使用?
萨拉:这些颗粒确实吸收了很多铅，但问题是这些颗粒太小了，它们只从土壤中吸收了不到1%的铅。因此，尽管蚯蚓可以在这些有毒环境中生存，但颗粒不会对铅产生太大影响。
米拉-那接下来呢，这些可以用来做什么?
萨拉:下一步是在颗粒中寻找不同的元素，比如锶和锌。它们可能会更集中，产生更大的影响。
米拉——除了在这里工作的科学家发表的论文外，他们确实需要获得光束线。开发了哪些新的光束线?
Sarah:我们在I20上看到了第一束光，那是我们的x射线光谱光束线，也被称为LOLA。这将是我们的第三条光谱学波束线和我们的第20条操作波束线，当它在今年晚些时候上线时。I20将用于化学、生物学、环境科学和材料科学。
米拉-所以跨越了广泛的学科。最后是外展，这是你们在戴蒙德一直在做的事情。
Sarah:二月底我们参加了牛津郡科学节，我们刚从伦敦的大爆炸博览会回来。我们有一些很棒的实践活动，帮助解释我们的磁铁是如何在机器中工作的，以及钻石是用于什么样的研究。
米拉:那想要参观戴蒙德的普通公众呢?下一个钻石内情日是什么时候?
Sarah -下一个Inside Diamond day很快就要来了，但是像往常一样已经被预订满了。下一个上市日期是6月，人们可以在我们的网站上找到更多信息。
米拉，我是戴蒙德公关团队的莎拉·邦迪。
磁Anapoles
和Stephen Lovesey，钻石光源
Stephen -当你问自己，产生磁性的物质的性质是什么时，事实是你打破了时间之箭的对称性。还有另一种对称，就是关于空间方向的对称。举个例子，当你对着镜子看你的手时，你的手从左手变成了右手，这是对你改变了空间方向的直接观察。当你把时间方向的断裂和空间方向的断裂结合起来，你就会产生一种非常特殊的磁性，叫做反极，它们也被称为轨道电流。模拟极点被认为是理解一组复杂的材料的最重要的，这些材料也能够无电阻地导电，被称为超导体。
Meera:我们往回走一点，磁铁有不同的类型。所以有偶极子，人们知道有南北分界线，然后有这些反极子。
斯蒂芬:完全正确。例如，偶极矩，你的指南针，有一种性质，它会打破时间的方向，在物质中的时间之箭，它的另一个特点是，如果你改变空间的方向，它仍然保持不变。伪极点的特点是它们有这样一种特性如果你改变空间的方向它们也会改变它们的行为。这些类似物只能用光来观察，所以如果你拿一种材料，用光或x射线照射它，你就有了一种对这些类似物成像的方法。
现在你一直在寻找高温超导体中这些类似物的存在。这些材料一旦达到一定的温度，它们就会失去电阻，并且能够让电流永久流过它们。
Stephen -是的，当你降低超导材料的温度时，有些材料是非常简单的，基本的，然后它们就会失去
电阻对电流通过的阻力不幸的是，这种理想的特性产生的温度非常低，所以在实际应用中，比如说通过电线传输电力，所以这不是一个有效传输的实际解决方案因为你必须让电缆处于极低的温度下。人们对这类被称为高压超导体的材料的兴趣在于它们具有这种理想特性的温度要高得多，几乎是在室温下。
Meera -这些材料大约在25年前被发现，但它们的工作原理仍然很不清楚。这是你们一直在研究的所以大家认为这些类似物可能在它们如何拥有这种特性方面发挥了作用?
Stephen:嗯，25年来我们所学到的并不是关于这些高温超导体材料的唯一理论。每一类化合物似乎都有自己的理论，但我们仍然在寻找统一的主题，其中一个被提出的统一主题是轨道电流的存在，到目前为止，我一直把它称为反极电流。Valerio Scagnoli和Schtaub在瑞士光源所做的实验很好地证明了轨道电流存在于一个非常简单的高温超导材料原型中。它只含有两种元素——铜和氧。轨道电流存在的实验证明，现在给了我们更大的信心去研究轨道电流是混合理论中重要成分的理论。
米拉:所以我们研究的材料是氧化铜，它是大多数高温超导体的母体成分。高温超导体的一个例子是氧化锆钡铜，氧化铜在里面，在很多其他材料里也有所以这是一个很好的研究材料。
Stephen:是的，有两个原因;第一，它是一个家长，第二，它很简单。
Meera -所以这已经提供了对这些高温超导体工作原理的理解，或者至少是它们的一个方面?
斯蒂芬-这是第一次这种类型的实验，证据非常确凿。
Meera -这一发现对其他材料以及高温超导体都有影响。
Stephen -是的，我一直在说的积木，类似物，它们出现的另一个有趣的领域是所谓的多铁性材料。这两种材料都是磁性的，所以它们对外部磁场有反应，但它们在电上也是极化的。所以它们既有明确的磁极化也有明确的电极化。而且这些材料似乎也有类似的特征。
米拉:那么发现了这个轨道之后，下一步是什么呢?
Stephen -我们还在进一步探索氧化铜，如果你喜欢的话，这项技术将被用于“真正的”高温超导体，它包含4或5个化学元素，要复杂得多，因为我们有一个可靠的基础，很好地理解如何做实验，以及如何理解实验结果。
Meera - Stephen Lovesey, Diamond Light Source的理论物理学教授。
- 以前的长颈鹿是怎么呕吐的?
- 下一个学习的“嗯”和“啊”
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