Titan a zlato nejsou magnetické – pokud je tedy nezkombinujete jen tak.

Vědci z Riceovy univerzity tak učinili a objevili něco, co je první svého druhu: itinerantní antiferomagnetický kov-TiAu vyrobený z nemagnetických složek.

Přestože využití tohoto konkrétního magnetu ještě nebylo určeno, mohl by tento objev rozšířit vědecké poznání magnetismu.

Příspěvek o výzkumu s otevřeným přístupem vyšel v časopise Nature Communications.

Velmi nízké teploty

Nejedná se o magnet, který by se lepil na ledničku. Magnetický řád se v TiAu objeví, až když je kov ochlazen na 36 kelvinů, což je asi minus 395 stupňů Celsia.

„Magnetizace je funkcí teploty,“ říká hlavní autor Eteri Svanidze. „Teplota uspořádání magnetu se objevuje jako anomálie v hladké křivce, kterou vidíme při takových měřeních magnetizace.“

U běžných magnetů je tato teplota obvykle stovky stupňů Fahrenheita, mnohem vyšší než v jakékoli kuchyni. Ale u nekonvenčních magnetů, jako je těch několik, které nemají žádné magnetické prvky, je energetická a teplotní škála drasticky snížena.

Svanidze říká, že magnety zlepší studium dalších důležitých fyzikálních jevů, například fázových přechodů (jako je přechod z pevné látky na kapalinu nebo z kapaliny na plyn), které probíhají při absolutní nule, tzv. kvantových fázových přechodů.

O 50 let později

TiAu je teprve třetí známý putovní magnetický kov vyrobený bez magnetických prvků. Další dva, oba feromagnety, které aktivují svůj magnetický řád při teplotách ještě nižších než TiAu, byly objeveny před půl stoletím. Důvodem dlouhé mezery je částečně i to, že výroba TiAu je náročná.

„Když jsme začali pátrat, zjistili jsme, proč uplynulo 50 let bez dalších objevů,“ říká fyzička z Rice Emilia Morosanová. „Většina ostatních možných kandidátů byla tak či onak problematická. Bylo těžké je vyrobit, byly chemicky nestabilní, toxické nebo vyžadovaly vysokou teplotu, která nebyla v laboratoři dostupná.“

„Museli jsme zavrhnout mnoho kandidátních sloučenin,“ dodává Svanidze, který na projektu pracoval šest let jako postgraduální student Rice.

Výpočty elektronické struktury však ukázaly, že směs titanu a zlata v poměru 1:1 by mohla mít vlastnosti, které hledali.

„Není to nový materiál,“ říká Svanidze. „To, co jsme objevili, jsou jeho magnetické vlastnosti, a právě v tom je zajímavá fyzika.“

Magnetické extrémy

Materiály se obvykle stávají magnetickými, když jsou vystaveny poli, které uvádí magnetické momenty jejich atomů do souladu. Představte si každý atom nebo iont jako malý samostatný magnet, který se může vyrovnávat se sousedními magnetickými ionty, podobně jako ručička kompasu.

Magnetický moment materiálu může být lokální (vázaný na konkrétní atom) nebo putovní (není vázán na jediný atom). Itinerantní putující může rozšířit svůj vliv na více než jeden atom, což usnadňuje komunikaci mezi jejich spinovými stavy „nahoru“ nebo „dolů“. Umožňují také takové šikovné věci, jako je elektrická vodivost v kovech.

Atomové momenty ve feromagneticích s lokálním momentem – tedy v běžných magnetických materiálech – vyrovnávají všechny své spiny ve stejném směru. V antiferomagnetu se atomové momenty vyrovnávají v opačných směrech.

Morosan říká, že je důležité znát tyto extrémy v magnetickém chování.

„Teoreticky rozumíme magnetismu s lokálním momentem docela dobře a máme určité znalosti o itinerantním momentu, ale většina skutečných systémů ve skutečnosti žije mezi tím,“ říká. „Musíme pochopit extrémy, abychom mohli přijít na fyziku toho, co se děje mezi nimi.“

„Myslím, že nejpodstatnější je, že takový jev je velmi vzácný,“ říká Jiakui Wang, další postgraduální student Morosanovy laboratoře a spoluautor článku. „Je to poprvé, co byl takový antiferomagnetický materiál objeven, takže je to zásadně významné. Prohlubuje to naše chápání magnetismu.“

Morosan říká, že základní vědecké objevy často potřebují čas, aby se zrodily aplikace.

„Doufám, že se nám nakonec podaří najít dostatek takových systémů, abychom jim lépe porozuměli. Pak budeme vědět, s čím máme co do činění, abychom mohli vyrábět sloučeniny s přesně takovými vlastnostmi, jaké chceme.“

Další vědci, kteří na projektu spolupracovali, pocházejí z Národní laboratoře vysokých magnetických polí na Floridské státní univerzitě, Kolumbijské univerzity, Národního institutu pro standardy a technologie a Brookhavenské národní laboratoře.

Národní vědecká nadace, Úřad pro vědecký výzkum letectva (Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative), Welchova nadace, Ministerstvo energetiky, Floridská státní univerzita, Japonská agentura pro atomovou energii a společnost Friends of Todai Inc. Foundation podpořila tuto práci.