Titanio e oro non sono magnetici – a meno che non li combini in modo giusto.

Gli scienziati della Rice University lo hanno fatto e hanno scoperto quello che è il primo del suo genere: un metallo antiferromagnetico itinerante – TiAu – fatto da elementi costitutivi non magnetici.

Mentre gli usi di questo particolare magnete devono ancora essere determinati, la scoperta potrebbe migliorare la comprensione scientifica del magnetismo.

Un documento open-access sulla ricerca appare su Nature Communications.

Temperature molto fredde

Questo non è il tipo di magnete che si attacca al frigorifero. L’ordine magnetico appare in TiAu solo quando il metallo è raffreddato a 36 kelvin, circa meno 395 gradi Fahrenheit.

“La magnetizzazione è una funzione della temperatura”, dice l’autore principale Eteri Svanidze. “La temperatura di ordinamento del magnete appare come un’anomalia nella curva liscia che vediamo in tali misure di magnetizzazione.”

Per i magneti comuni, quella temperatura è generalmente centinaia di gradi Fahrenheit, molto più caldo di qualsiasi cucina. Ma l’energia e la scala di temperatura nei magneti non convenzionali, come i pochi che non hanno elementi magnetici, sono drasticamente ridotti.

Svanidze dice che i magneti miglioreranno gli studi di altra fisica importante, come le transizioni di fase (come nel solido-liquido o liquido-gas) che avvengono allo zero assoluto, chiamate transizioni di fase quantistica.

50 anni dopo

TiAu è solo il terzo metallo magnetico itinerante conosciuto fatto senza elementi magnetici. Gli altri due, entrambi ferromagnetici che attivano il loro ordine magnetico a temperature ancora più fredde del TiAu, sono stati scoperti mezzo secolo fa. Parte della ragione del lungo divario è che TiAu è impegnativo da realizzare.

“Quando abbiamo iniziato a cercare, abbiamo scoperto perché 50 anni erano passati senza ulteriori scoperte”, dice la fisica di Rice Emilia Morosan. “La maggior parte degli altri possibili candidati erano problematici in un modo o nell’altro. Erano difficili da fare, chimicamente instabili, tossici, o richiedevano una temperatura elevata che non era accessibile in laboratorio.”

“Abbiamo dovuto scartare molti composti candidati”, aggiunge Svanidze, che ha lavorato al progetto per sei anni come studente laureato alla Rice.

Ma i calcoli della struttura elettronica hanno mostrato che una miscela 1 a 1 di titanio e oro potrebbe avere le proprietà che stavano cercando.

“Questo non è un nuovo materiale”, dice Svanidze. “Quello che abbiamo trovato sono le sue proprietà magnetiche, ed è qui che entra in gioco la fisica interessante.”

Estremi magnetici

I materiali di solito diventano magnetici quando esposti a un campo che porta i momenti magnetici dei suoi atomi in allineamento. Pensate ad ogni atomo o ione come ad un piccolo magnete autonomo che può allinearsi con gli ioni magnetici vicini, come l’ago di una bussola.

Il momento magnetico di un materiale può essere locale (legato ad un atomo specifico) o itinerante (non legato ad un singolo atomo). I vaganti itineranti possono estendere la loro influenza su più di un atomo, facilitando le comunicazioni tra i loro stati di spin “su” o “giù”. Permettono anche cose utili come la conduttività elettrica nei metalli.

I momenti atomici nei ferromagneti a momento locale – cioè i comuni materiali magnetici – allineano tutti i loro spin nella stessa direzione. In un antiferromagnete, i momenti atomici si allineano in direzioni opposte.

Morosan dice che è importante conoscere questi estremi nel comportamento magnetico.

“Teoricamente capiamo abbastanza bene il magnetismo a momento locale, e abbiamo una certa comprensione del momento itinerante, ma la maggior parte dei sistemi veri vivono davvero nel mezzo”, dice. “Dobbiamo capire gli estremi per capire la fisica di ciò che succede nel mezzo”.

“Penso che la parte più significativa sia che un tale fenomeno è molto raro”, dice Jiakui Wang, un altro studente laureato del laboratorio Morosan e coautore del documento. “Questa è la prima volta che un materiale antiferromagnetico è stato scoperto, quindi è fondamentalmente significativo. Rende la nostra comprensione del magnetismo più profonda”

Morosan dice che le scoperte scientifiche di base spesso hanno bisogno di tempo per generare applicazioni.

“La mia speranza è che alla fine possiamo trovare abbastanza di questi sistemi per comprenderli meglio. Poi sapremo con cosa abbiamo a che fare e potremo creare composti con le esatte proprietà che vogliamo”.

Altri ricercatori che hanno collaborato al progetto provengono dal National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University, dalla Columbia University, dal National Institute of Standards and Technology e dal Brookhaven National Laboratory.

La National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, la Welch Foundation, il Department of Energy, la Florida State University, la Japan Atomic Energy Agency e la Friends of Todai Inc. Foundation hanno sostenuto il lavoro.