Titan og guld er ikke magnetiske – med mindre man kombinerer dem på den helt rigtige måde.

Videnskabsfolk på Rice University gjorde det og opdagede det første af sin slags: et antiferromagnetisk metal-TiAu, der er fremstillet af umagnetiske bestanddele.

Selv om anvendelsesmulighederne for denne særlige magnet endnu ikke er fastlagt, kan opdagelsen forbedre den videnskabelige forståelse af magnetisme.

En open-access-publikation om forskningen er udgivet i Nature Communications.

Vældig kolde temperaturer

Dette er ikke den slags magnet, man ville sætte fast på et køleskab. Magnetisk orden opstår kun i TiAu, når metallet er afkølet til 36 kelvin, ca. minus 395 grader Fahrenheit.

“Magnetisering er en funktion af temperaturen”, siger hovedforfatter Eteri Svanidze. “Magnetens bestillingstemperatur fremstår som en anomali i den glatte kurve, som vi ser i sådanne magnetiseringsmålinger.”

For almindelige magneter er denne temperatur generelt flere hundrede grader Fahrenheit, langt varmere end noget køkken. Men energi- og temperaturskalaen i ukonventionelle magneter, som de få, der ikke har nogen magnetiske elementer, er drastisk reduceret.

Svanidze siger, at magneterne vil forbedre studier af anden vigtig fysik, som f.eks. faseovergange (som i fast-til-væske eller flydende-til-gas), der finder sted ved det absolutte nulpunkt, kaldet kvantefaseovergange.

50 år senere

TiAu er kun det tredje kendte omrejsende magnetiske metal, der er fremstillet uden magnetiske elementer. De to andre, begge ferromagneter, der aktiverer deres magnetiske orden ved temperaturer, der er endnu koldere end TiAu, blev opdaget for et halvt århundrede siden. En del af årsagen til den lange afstand er, at TiAu er udfordrende at fremstille.

“Da vi begyndte at lede, fandt vi ud af, hvorfor der var gået 50 år uden yderligere opdagelser”, siger Emilia Morosan, fysiker ved Rice. “De fleste andre mulige kandidater var problematiske på den ene eller den anden måde. De var svære at fremstille, kemisk ustabile, giftige eller krævede en høj temperatur, som ikke var tilgængelig i laboratoriet.”

“Vi måtte kassere mange kandidatforbindelser,” tilføjer Svanidze, der arbejdede på projektet i seks år som Rice-studerende.

Men elektroniske strukturberegninger viste, at en 1:1-blanding af titan og guld kunne have de egenskaber, de ledte efter.

“Det er ikke et nyt materiale,” siger Svanidze. “Det, vi fandt, er dets magnetiske egenskaber, og det er her, den interessante fysik kommer ind i billedet.”

Magnetiske ekstremer

Materialer bliver normalt magnetiske, når de udsættes for et felt, der bringer atomernes magnetiske momenter på linje med hinanden. Tænk på hvert atom eller hver ion som en lille selvstændig magnet, der kan rette sig ind efter de magnetiske ioner i nærheden, ligesom nålen på et kompas.

Det magnetiske moment i et materiale kan være lokalt (bundet til et bestemt atom) eller omrejsende (ikke bundet til et enkelt atom). Itinerante vandrere kan udvide deres indflydelse over mere end ét atom, hvilket letter kommunikationen mellem deres “op”- eller “ned”-spintilstande. De giver også mulighed for praktiske ting som elektrisk ledningsevne i metaller.

Atomiske momenter i ferromagneter med lokale momenter – dvs. almindelige magnetiske materialer – retter alle deres spins ud i samme retning. I en antiferromagnet er de atomare momenter rettet i modsatte retninger.

Morosan siger, at det er vigtigt at kende disse ekstremer i magnetisk adfærd.

“Teoretisk set forstår vi lokalmomentmagnetismen ret godt, og vi har en vis forståelse af det itinerante moment, men de fleste virkelige systemer befinder sig i virkeligheden midt imellem,” siger hun. “Vi er nødt til at forstå ekstremerne for at finde ud af fysikken i det, der foregår midt imellem.”

“Jeg tror, at det mest betydningsfulde er, at et sådant fænomen er meget sjældent,” siger Jiakui Wang, en anden kandidatstuderende fra Morosans laboratorium og medforfatter til artiklen. “Det er første gang, at et sådant antiferromagnetisk materiale er blevet opdaget, så det er fundamentalt vigtigt. Det gør vores forståelse af magnetisme dybere.”

Morosan siger, at grundlæggende videnskabelige opdagelser ofte har brug for tid til at skabe anvendelser.

“Mit håb er, at vi i sidste ende kan finde nok af disse systemer til at forstå dem bedre. Så vil vi vide, hvad vi har med at gøre, så vi kan fremstille forbindelser med præcis de egenskaber, vi ønsker.”

Andre forskere, der har samarbejdet om projektet, kommer fra National High Magnetic Field Laboratory ved Florida State University, Columbia University, National Institute of Standards and Technology og Brookhaven National Laboratory.

National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, Welch Foundation, Department of Energy, Florida State University, Japan Atomic Energy Agency og Friends of Todai Inc. Foundation støttede dette arbejde.