Titaani ja kulta eivät ole magneettisia – ellei niitä yhdistetä juuri niin kuin pitää.

Rice-yliopiston tutkijat tekivät niin ja löysivät lajissaan ensimmäisen: kiertävän antiferromagneettisen metallin-TiAu:n, joka on tehty ei-magneettisista alkuaineista.

Vaikka tämän erityisen magneetin käyttötarkoituksia ei ole vielä määritetty, löytö voi lisätä tieteellistä ymmärrystä magnetismista.

Tutkimuksesta on julkaistu avoin julkaisu Nature Communications -lehdessä.

Erittäin kylmissä lämpötiloissa

Tämä ei ole sellainen magneetti, jonka voisi kiinnittää jääkaappiin. Magneettinen järjestys ilmenee TiAussa vasta, kun metalli jäähdytetään 36 kelviniin, noin miinus 395 celsiusasteeseen.

”Magnetoituminen on lämpötilan funktio”, sanoo pääkirjoittaja Eteri Svanidze. ”Magneetin järjestyslämpötila näkyy poikkeamana tasaisessa käyrässä, jonka näemme tällaisissa magnetointimittauksissa.”

Käytettävien magneettien kohdalla tuo lämpötila on yleensä satoja celsiusasteita, paljon kuumempi kuin mikään keittiö. Mutta epätavanomaisissa magneeteissa, kuten niissä harvoissa, joissa ei ole magneettisia elementtejä, energia- ja lämpötila-asteikko on huomattavasti pienempi.

Svanidze sanoo, että magneetit parantavat muiden tärkeiden fysiikan tutkimuksia, kuten absoluuttisessa nollapisteessä tapahtuvia faasisiirtymiä (kuten kiinteän aineen siirtyminen nesteestä nesteeksi tai nesteestä kaasuksi), joita kutsutaan kvanttifaasisiirtymiksi.

50 vuotta myöhemmin

TiAu on vasta kolmas tiedossa oleva magneettista kiertävä magneettimetalli, joka on valmistettu ilman magneettisia elementtejä. Kaksi muuta, molemmat ferromagneetteja, jotka aktivoivat magneettisen järjestyksensä vielä TiAuta kylmemmissä lämpötiloissa, löydettiin puoli vuosisataa sitten. Osasyynä pitkään välimatkaan on se, että TiAu on haastava valmistaa.

”Kun aloimme etsiä, huomasimme, miksi 50 vuotta oli kulunut ilman uusia löytöjä”, Ricen fyysikko Emilia Morosan sanoo. ”Useimmat muut mahdolliset ehdokkaat olivat tavalla tai toisella ongelmallisia. Niitä oli vaikea valmistaa, ne olivat kemiallisesti epävakaita, myrkyllisiä tai ne vaativat korkean lämpötilan, jota ei ollut mahdollista saavuttaa laboratoriossa.”

”Jouduimme hylkäämään monia ehdolla olevia yhdisteitä”, lisää Svanidze, joka työskenteli projektin parissa kuuden vuoden ajan Ricen jatko-opiskelijana.”

Elektronirakennelaskelmat osoittivat kuitenkin, että titaanin ja kullan sekoituksella, jossa on suhde 1:1, saattaisi olla etsimänsä ominaisuudet.”

”Tämä ei ole mikään uusi materiaali”

, Svanidze sanoo. ”Se, mitä löysimme, ovat sen magneettiset ominaisuudet, ja siinä tulee mielenkiintoinen fysiikka.”

Magneettiset ääripäät

Materiaalit muuttuvat yleensä magneettisiksi, kun ne altistetaan kentälle, joka saa niiden atomien magneettiset momentit kohdakkain. Ajattele jokaista atomia tai ionia pienenä itsenäisenä magneettina, joka voi kohdistaa itsensä viereisiin magneettisiin ioneihin, kuten kompassin neula.

Materiaalin magneettinen momentti voi olla paikallinen (sidottu tiettyyn atomiin) tai kiertävä (ei sidottu yhteen atomiin). Kiertävät vaeltajat voivat ulottaa vaikutuksensa useampaan kuin yhteen atomiin, mikä helpottaa kommunikaatiota niiden ”ylös” tai ”alas” spin-tilojen välillä. Ne mahdollistavat myös käteviä asioita, kuten sähkönjohtavuuden metalleissa.

Lokaalimomenttisissa ferromagneeteissa – eli tavallisissa magneettisissa materiaaleissa – atomien momentit suuntaavat kaikki spinit samaan suuntaan. Antiferromagneetissa atomimomentit suuntautuvat vastakkaisiin suuntiin.

Morosan sanoo, että on tärkeää tuntea nämä magneettisen käyttäytymisen ääripäät.

”Teoreettisesti ymmärrämme paikallismagneettista magneettisuutta melko hyvin, ja meillä on jonkin verran ymmärrystä kiertävästä momentista, mutta suurin osa todellisista systeemeistä elelee oikeastaan siltä väliltä”, hän sanoo. ”Meidän on ymmärrettävä ääripäitä, jotta voimme selvittää sen fysiikan, mitä siinä välissä tapahtuu.”

”Mielestäni merkittävintä on se, että tällainen ilmiö on hyvin harvinainen”, sanoo Jiakui Wang, toinen Morosanin laboratorion jatko-opiskelija ja artikkelin toinen kirjoittaja. ”Tämä on ensimmäinen kerta, kun tällainen antiferromagneettinen materiaali on löydetty, joten se on pohjimmiltaan merkittävä. Se syventää ymmärrystämme magnetismista.”

Morosan sanoo, että tieteelliset peruslöydökset tarvitsevat usein aikaa synnyttääkseen sovelluksia.

”Toiveeni on, että löydämme lopulta tarpeeksi tällaisia systeemejä, jotta voimme ymmärtää niitä paremmin. Sitten tiedämme, mistä on kyse, jotta voimme valmistaa yhdisteitä, joilla on juuri sellaiset ominaisuudet kuin haluamme.”

Muut hankkeessa yhteistyötä tehneet tutkijat ovat Floridan osavaltionyliopiston kansallisesta korkean magneettikentän laboratoriosta (National High Magnetic Field Laboratory at Florida State University), Columbian yliopistosta (Columbia University), Kansallisesta standardointi- ja teknologiainstituutista (National Institute of Standards and Technology) ja Brookhavenin kansallisesta laboratoriosta (Brookhaven National Laboratory). Foundation tukivat työtä.