Rice University

Titanium en goud zijn niet magnetisch – tenzij je ze precies zo combineert.

Wetenschappers van de Rice University deden dit en ontdekten een primeur in zijn soort: een rondtrekkend antiferromagnetisch metaal-TiAu-gemaakt van niet-magnetische bestanddelen.

Hoewel de toepassingen voor deze specifieke magneet nog moeten worden bepaald, zou de ontdekking het wetenschappelijk begrip van magnetisme kunnen vergroten.

Een open-access paper over het onderzoek verschijnt in Nature Communications.

Zeer koude temperaturen

Dit is niet het soort magneet dat je op een koelkast zou plakken. Magnetische ordening verschijnt alleen in TiAu wanneer het metaal wordt afgekoeld tot 36 kelvins, ongeveer min 395 graden Fahrenheit.

“Magnetisatie is een functie van temperatuur,” zegt hoofdauteur Eteri Svanidze. “De ordeningstemperatuur van de magneet verschijnt als een afwijking in de vloeiende curve die we bij dergelijke magnetiseringsmetingen zien. Voor gewone magneten is die temperatuur meestal honderden graden Fahrenheit, veel heter dan welke keuken dan ook. Maar de energie- en temperatuurschaal in onconventionele magneten, zoals de weinige die geen magnetische elementen hebben, zijn drastisch gereduceerd.

Svanidze zegt dat de magneten de studies van andere belangrijke fysica zullen verbeteren, zoals faseovergangen (zoals van vast naar vloeibaar of van vloeistof naar gas) die plaatsvinden bij het absolute nulpunt, de zogenaamde quantumfaseovergangen.

50 jaar later

TiAu is slechts het derde bekende rondtrekkende magnetische metaal dat zonder magnetische elementen is gemaakt. De andere twee, beide ferromagneten die hun magnetische orde activeren bij temperaturen die nog kouder zijn dan TiAu, werden een halve eeuw geleden ontdekt. Een deel van de reden voor de lange kloof is dat TiAu uitdagend is om te maken.

“Toen we begonnen te zoeken, kwamen we erachter waarom er 50 jaar voorbij waren gegaan zonder dat er nieuwe ontdekkingen waren gedaan,” zegt Rice-fysicus Emilia Morosan. “De meeste andere mogelijke kandidaten waren op de een of andere manier problematisch. Ze waren moeilijk te maken, chemisch instabiel, giftig, of vereisten een hoge temperatuur die niet toegankelijk was in het lab.”

“We moesten veel kandidaat-verbindingen terzijde schuiven,” voegt Svanidze toe, die zes jaar aan het project werkte als afgestudeerd Rice-student.

Maar elektronische structuurberekeningen toonden aan dat een 1-op-1 mix van titanium en goud de eigenschappen zou kunnen hebben die ze zochten.

“Dit is geen nieuw materiaal,” zegt Svanidze. “

Magnetische extremen

Materialen worden gewoonlijk magnetisch wanneer ze worden blootgesteld aan een veld dat de magnetische momenten van hun atomen op één lijn brengt. Beschouw elk atoom of ion als een kleine zelfstandige magneet die zich kan afstemmen op de naburige magnetische ionen, zoals de naald van een kompas.

Het magnetisch moment van een materiaal kan lokaal zijn (gebonden aan een specifiek atoom) of zwervend (niet gebonden aan een enkel atoom). Rondtrekkende zwervers kunnen hun invloed over meer dan één atoom uitstrekken, waardoor communicatie tussen hun “opwaartse” of “neerwaartse” spintoestanden wordt vergemakkelijkt. Zij maken ook handige dingen mogelijk, zoals elektrische geleiding in metalen.

Atomaire momenten in lokaal-moment ferromagneten – dat zijn gewone magnetische materialen – richten al hun spins in dezelfde richting uit. In een antiferromagneet richten de atoommomenten zich in tegengestelde richting uit.

Morosan zegt dat het belangrijk is om deze uitersten in magnetisch gedrag te kennen.

“Theoretisch begrijpen we lokaal-moment magnetisme vrij goed, en we hebben enig begrip van het itinerante moment, maar de meeste echte systemen leven er echt tussenin,” zegt ze. “We moeten de extremen begrijpen om de fysica te begrijpen van wat daartussen gebeurt.”

“Ik denk dat het belangrijkste is dat zo’n fenomeen heel zeldzaam is,” zegt Jiakui Wang, een andere promovendus van het Morosan-lab en co-auteur van het artikel. “Dit is de eerste keer dat zo’n antiferromagnetisch materiaal is ontdekt, dus het is van fundamenteel belang. Het maakt ons begrip van magnetisme dieper.”

Morosan zegt dat fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen vaak tijd nodig hebben om toepassingen te paaien.

“Mijn hoop is dat we uiteindelijk genoeg van deze systemen kunnen vinden om ze beter te begrijpen. Dan weten we waar we mee te maken hebben, zodat we verbindingen kunnen maken met de exacte eigenschappen die we willen.”

Andere onderzoekers die aan het project hebben meegewerkt, zijn van het National High Magnetic Field Laboratory van Florida State University, Columbia University, het National Institute of Standards and Technology, en Brookhaven National Laboratory.

De National Science Foundation, het Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, de Welch Foundation, het Department of Energy, Florida State University, het Japanse Atomic Energy Agency, en de Friends of Todai Inc. Foundation steunden het werk.

De National Science Foundation, het Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, de Welch Foundation, het Department of Energy, Florida State University, het Japanse Atomic Energy Agency, en de Friends of Todai Inc. Foundation ondersteunden het werk.