Titan und Gold sind nicht magnetisch – es sei denn, man kombiniert sie genau so.

Wissenschaftler an der Rice University haben das getan und dabei etwas entdeckt, das es in dieser Form noch nie gegeben hat: ein antiferromagnetisches Metall – TiAu -, das aus nichtmagnetischen Bestandteilen hergestellt wurde.

Die Verwendungsmöglichkeiten für diesen besonderen Magneten müssen zwar noch bestimmt werden, aber die Entdeckung könnte das wissenschaftliche Verständnis des Magnetismus verbessern.

Ein Open-Access-Artikel über die Forschung erscheint in Nature Communications.

Sehr kalte Temperaturen

Dies ist nicht die Art von Magnet, die man an einen Kühlschrank kleben würde. Magnetische Ordnung tritt in TiAu nur auf, wenn das Metall auf 36 Kelvin, etwa minus 395 Grad Fahrenheit, abgekühlt wird.

„Magnetisierung ist eine Funktion der Temperatur“, sagt der Hauptautor Eteri Svanidze. „Die Ordnungstemperatur des Magneten erscheint als Anomalie in der glatten Kurve, die wir bei solchen Magnetisierungsmessungen sehen.“

Für gewöhnliche Magnete liegt diese Temperatur im Allgemeinen bei Hunderten von Grad Fahrenheit, viel heißer als jede Küche. Aber die Energie- und Temperaturskala in unkonventionellen Magneten, wie den wenigen, die keine magnetischen Elemente haben, ist drastisch reduziert.

Svanidze sagt, dass die Magnete das Studium anderer wichtiger physikalischer Phänomene verbessern werden, wie z.B. Phasenübergänge (wie bei fest-zu-flüssig oder flüssig-zu-gas), die am absoluten Nullpunkt stattfinden, sogenannte Quanten-Phasenübergänge.

50 Jahre später

TiAu ist erst das dritte bekannte magnetische Metall, das ohne magnetische Elemente hergestellt wird. Die beiden anderen, beides Ferromagnete, die ihre magnetische Ordnung bei noch kälteren Temperaturen als TiAu aktivieren, wurden vor einem halben Jahrhundert entdeckt. Ein Grund für die lange Lücke ist, dass TiAu schwierig herzustellen ist.

„Als wir anfingen zu suchen, fanden wir heraus, warum 50 Jahre ohne weitere Entdeckungen vergangen waren“, sagt die Rice-Physikerin Emilia Morosan. „Die meisten anderen möglichen Kandidaten waren auf die eine oder andere Weise problematisch. Sie waren schwer herzustellen, chemisch instabil, giftig oder erforderten eine hohe Temperatur, die im Labor nicht erreichbar war.“

„Wir mussten viele Kandidaten verwerfen“, fügt Svanidze hinzu, die sechs Jahre lang als Rice-Diplomandin an dem Projekt gearbeitet hat.

Aber Berechnungen der elektronischen Struktur zeigten, dass eine 1:1-Mischung aus Titan und Gold die gesuchten Eigenschaften haben könnte.

„Das ist kein neues Material“, sagt Svanidze. „

Magnetische Extreme

Materialien werden in der Regel magnetisch, wenn sie einem Feld ausgesetzt werden, das die magnetischen Momente ihrer Atome in eine Linie bringt. Stellen Sie sich jedes Atom oder Ion als einen winzigen, in sich geschlossenen Magneten vor, der sich mit den benachbarten magnetischen Ionen ausrichten kann, wie die Nadel eines Kompasses.

Das magnetische Moment eines Materials kann lokal (an ein bestimmtes Atom gebunden) oder wandernd (nicht an ein einzelnes Atom gebunden) sein. Wandermagnete können ihren Einfluss auf mehr als ein Atom ausdehnen und so die Kommunikation zwischen ihren „Up“- oder „Down“-Spinzuständen erleichtern. Sie ermöglichen auch so praktische Dinge wie die elektrische Leitfähigkeit in Metallen.

Atomische Momente in Lokalmoment-Ferromagneten – d. h. in gewöhnlichen magnetischen Materialien – richten alle ihre Spins in dieselbe Richtung aus. In einem Antiferromagneten richten sich die atomaren Momente in entgegengesetzte Richtungen aus.

Morosan sagt, dass es wichtig ist, diese Extreme im magnetischen Verhalten zu kennen.

„Theoretisch verstehen wir den Ortsmoment-Magnetismus recht gut, und wir haben ein gewisses Verständnis des Wandermoments, aber die meisten echten Systeme liegen dazwischen“, sagt sie. „

„Ich denke, das Wichtigste ist, dass ein solches Phänomen sehr selten ist“, sagt Jiakui Wang, ein weiterer Doktorand des Morosan-Labors und Mitautor der Studie. „Dies ist das erste Mal, dass ein solches antiferromagnetisches Material entdeckt wurde, und daher ist es von grundlegender Bedeutung. Es vertieft unser Verständnis des Magnetismus.“

Morosan sagt, dass grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen oft Zeit brauchen, um Anwendungen hervorzubringen.

„Meine Hoffnung ist, dass wir irgendwann genug von diesen Systemen finden, um sie besser zu verstehen.

Weitere Forscher, die an dem Projekt mitgewirkt haben, sind vom National High Magnetic Field Laboratory an der Florida State University, der Columbia University, dem National Institute of Standards and Technology und dem Brookhaven National Laboratory.

Die National Science Foundation, das Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, die Welch Foundation, das Department of Energy, die Florida State University, die Japan Atomic Energy Agency und die Friends of Todai Inc. Stiftung unterstützten diese Arbeit.