A titán és az arany nem mágneses – kivéve, ha éppen így kombináljuk őket.

A Rice Egyetem tudósai megtették ezt, és felfedezték, ami a maga nemében az első: egy vándorló antiferromágneses fémet – TiAu-t – nem mágneses alkotóelemekből készítettek.

Míg ennek a különleges mágnesnek a felhasználási módjait még nem határozták meg, a felfedezés javíthatja a mágnesesség tudományos megértését.

A kutatásról nyílt hozzáférésű tanulmány jelent meg a Nature Communications című folyóiratban.

Nagyon hideg hőmérsékleten

Ez nem az a fajta mágnes, amit az ember a hűtőszekrényre ragasztana. A mágneses rend csak akkor jelenik meg a TiAu-ban, ha a fémet 36 kelvinre, körülbelül mínusz 395 Fahrenheit-fokra hűtik.

“A mágnesezettség a hőmérséklet függvénye” – mondja a vezető szerző, Eteri Svanidze. “A mágnes rendezési hőmérséklete anomáliaként jelenik meg abban a sima görbében, amit az ilyen mágnesezési mérésekben látunk.”

A közönséges mágnesek esetében ez a hőmérséklet általában több száz Fahrenheit fok, sokkal melegebb, mint bármelyik konyha. De az energia- és hőmérsékleti skála a nem hagyományos mágnesekben, mint például abban a néhányban, amelyekben nincsenek mágneses elemek, drasztikusan lecsökken.”

Svanidze szerint a mágnesek javítani fogják más fontos fizika tanulmányozását, mint például a fázisátmenetek (mint a szilárd-folyadék vagy folyadék-gáz), amelyek az abszolút nullponton zajlanak, az úgynevezett kvantumfázisátmenetek.”

50 évvel később

A TiAu csak a harmadik ismert mágneses elemek nélkül készült vándormágneses fém. A másik kettőt, mindkettő ferromágnest, amelyek a TiAu-nál is hidegebb hőmérsékleten aktiválják mágneses rendjüket, fél évszázaddal ezelőtt fedezték fel. A hosszú lemaradás oka részben az, hogy a TiAu előállítása kihívást jelent.

“Amikor keresni kezdtük, rájöttünk, miért telt el 50 év további felfedezések nélkül” – mondja Emilia Morosan, a Rice fizikusa. “A legtöbb más lehetséges jelölt így vagy úgy problémás volt. Nehéz volt őket előállítani, kémiailag instabilak, mérgezőek voltak, vagy olyan magas hőmérsékletet igényeltek, ami a laboratóriumban nem volt elérhető.”

“Sok vegyületjelöltet el kellett vetnünk” – teszi hozzá Svanidze, aki hat évig dolgozott a projekten a Rice végzős diákjaként.

Az elektronszerkezeti számítások azonban azt mutatták, hogy a titán és az arany 1:1 arányú keveréke rendelkezhet a keresett tulajdonságokkal.

“Ez nem egy új anyag” – mondja Svanidze. “Amit találtunk, azok a mágneses tulajdonságai, és itt jön az érdekes fizika.”

Mágneses szélsőségek

Az anyagok általában akkor válnak mágnesessé, ha olyan mezőnek vannak kitéve, amely összehangolja az atomjaik mágneses momentumait. Gondoljunk úgy minden egyes atomra vagy ionra, mint egy apró, önálló mágnesre, amely képes igazodni a szomszédos mágneses ionokhoz, mint egy iránytű tűje.”

Az anyag mágneses momentuma lehet lokális (egy adott atomhoz kötött) vagy vándorló (nem egyetlen atomhoz kötött). Az itineráns vándorok egynél több atomra is kiterjeszthetik hatásukat, megkönnyítve a kommunikációt a “felfelé” vagy “lefelé” spinállapotok között. Olyan praktikus dolgokat is lehetővé tesznek, mint például az elektromos vezetőképesség a fémekben.

A helyi momentumú ferromágnesekben – vagyis a közönséges mágneses anyagokban – az atomi momentumok minden spinjüket ugyanabba az irányba igazítják. Egy antiferromágnesben az atomi momentumok ellentétes irányba igazodnak.

Morosan szerint fontos ismerni a mágneses viselkedésnek ezeket a szélsőségeit.

“Elméletileg elég jól értjük a lokális mágneses momentumot, és valamennyire értjük az itineráns momentumot, de a legtöbb valódi rendszer valójában a kettő között él” – mondja. “Meg kell értenünk a szélsőségeket ahhoz, hogy rájöjjünk, mi történik a kettő között.”

“Azt hiszem, az a legjelentősebb, hogy egy ilyen jelenség nagyon ritka” – mondja Jiakui Wang, a Morosan labor másik végzős hallgatója és a tanulmány társszerzője. “Ez az első alkalom, hogy ilyen antiferromágneses anyagot fedeztek fel, így ez alapvetően jelentős. Ez elmélyíti a mágnesességgel kapcsolatos ismereteinket.”

Morosan szerint az alapvető tudományos felfedezéseknek gyakran időre van szükségük ahhoz, hogy alkalmazásokat szüljenek.

“Remélem, hogy végül elég ilyen rendszert találunk ahhoz, hogy jobban megértsük őket. Akkor tudni fogjuk, hogy mivel van dolgunk, így pontosan a kívánt tulajdonságokkal rendelkező vegyületeket tudunk majd előállítani.”

A projektben együttműködő további kutatók a Florida Állami Egyetem Nemzeti Nagy Mágneses Mező Laboratóriumából, a Columbia Egyetemről, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetből és a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumból érkeztek.

A Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Légierő Tudományos Kutatási Hivatalának Multidiszciplináris Egyetemi Kutatási Kezdeményezése, a Welch Alapítvány, az Energiaügyi Minisztérium, a Florida Állami Egyetem, a Japán Atomenergia Ügynökség és a Friends of Todai Inc. Alapítvány támogatta a munkát.