Tytan i złoto nie są magnetyczne – chyba, że połączysz je właśnie tak.

Naukowcy z Uniwersytetu Rice zrobili to i odkryli pierwszy w swoim rodzaju: wędrowny metal antyferromagnetyczny – TiAu – wykonany z niemagnetycznych elementów składowych.

Pomimo, że zastosowania dla tego konkretnego magnesu nie zostały jeszcze określone, odkrycie to może zwiększyć naukowe zrozumienie magnetyzmu.

Otwarty artykuł na temat badań ukazał się w Nature Communications.

Bardzo niskie temperatury

To nie jest rodzaj magnesu, który można by przykleić do lodówki. Magnetyczny porządek pojawia się w TiAu tylko wtedy, gdy metal jest schłodzony do 36 kelwinów, około minus 395 stopni Fahrenheita.

„Namagnesowanie jest funkcją temperatury”, mówi główny autor Eteri Svanidze. „Temperatura uporządkowania magnesu pojawia się jako anomalia w gładkiej krzywej, którą widzimy w takich pomiarach namagnesowania.”

Dla zwykłych magnesów, ta temperatura jest ogólnie setki stopni Fahrenheita, o wiele gorętsza niż jakakolwiek kuchnia. Ale skala energii i temperatury w niekonwencjonalnych magnesach, jak te kilka, które nie mają elementów magnetycznych, są drastycznie zmniejszone.

Svanidze mówi, że magnesy zwiększą badania innych ważnych fizyk, jak przejścia fazowe (jak w ciało stałe do cieczy lub ciecz do gazu), które odbywają się przy zerze absolutnym, zwane kwantowymi przejściami fazowymi.

50 lat później

TiAu jest tylko trzecim znanym wędrownym metalem magnetycznym wykonanym bez elementów magnetycznych. Pozostałe dwa, zarówno ferromagnetyki, które aktywują swój porządek magnetyczny w temperaturach jeszcze zimniejszych niż TiAu, zostały odkryte pół wieku temu. Częściowo powodem długiej luki jest to, że TiAu jest trudne do wykonania.

„Kiedy zaczęliśmy szukać, dowiedzieliśmy się, dlaczego 50 lat minęło bez żadnych dodatkowych odkryć”, mówi fizyk Rice Emilia Morosan. „Większość innych możliwych kandydatów była problematyczna w taki czy inny sposób. Były trudne do wytworzenia, niestabilne chemicznie, toksyczne lub wymagały wysokiej temperatury, która nie była dostępna w laboratorium.”

„Musieliśmy odrzucić wielu kandydatów na związki”, dodaje Svanidze, który pracował nad projektem przez sześć lat jako absolwent Rice.

Ale obliczenia struktury elektronicznej wykazały, że mieszanka 1 do 1 tytanu i złota może mieć właściwości, których szukano.

„To nie jest nowy materiał”, mówi Svanidze. „To co znaleźliśmy to jego właściwości magnetyczne, i to jest to, gdzie interesująca fizyka przychodzi w.”

Magnetyczne ekstrema

Materiały zazwyczaj stają się magnetyczne, gdy wystawione na działanie pola, które przynosi momenty magnetyczne jego atomów do wyrównania. Pomyśl o każdym atomie lub jonie jako o maleńkim samodzielnym magnesie, który może ustawić się w linii z sąsiednimi jonami magnetycznymi, jak igła kompasu.

Moment magnetyczny materiału może być lokalny (związany z określonym atomem) lub wędrowny (nie związany z jednym atomem). Wędrowni wędrowcy mogą rozszerzyć swój wpływ na więcej niż jeden atom, ułatwiając komunikację między ich stanami spinowymi „w górę” lub „w dół”. Pozwalają one również na poręczne rzeczy, takie jak przewodnictwo elektryczne w metals.

Atomowe momenty w lokalnym-moment ferromagnetyków – to jest, wspólne materiały magnetyczne – wyrównać wszystkie ich spiny w tym samym kierunku. W antyferromagnetyku, momenty atomowe ustawiają się w przeciwnych kierunkach.

Morosan mówi, że ważne jest, aby znać te ekstrema w zachowaniu magnetycznym.

„Teoretycznie rozumiemy dość dobrze magnetyzm lokalnie-momentowy i mamy pewne zrozumienie momentu wędrownego, ale większość prawdziwych układów naprawdę żyje pomiędzy,” mówi. „Musimy zrozumieć skrajności, aby zrozumieć fizykę tego, co dzieje się pomiędzy.”

„Myślę, że najbardziej znaczącą częścią jest to, że takie zjawisko jest bardzo rzadkie,” mówi Jiakui Wang, inny absolwent laboratorium Morosan i współautor pracy. „To pierwszy raz, kiedy odkryto taki materiał antyferromagnetyczny, więc jest to niezwykle istotne. To sprawia, że nasze zrozumienie magnetyzmu jest głębsze.”

Morosan mówi, że podstawowe odkrycia naukowe często potrzebują czasu, aby zrodzić zastosowania.

„Mam nadzieję, że w końcu możemy znaleźć wystarczająco dużo tych systemów, aby zrozumieć je lepiej. Wtedy będziemy wiedzieli z czym mamy do czynienia i będziemy mogli stworzyć związki o dokładnie takich właściwościach, jakie chcemy.”

Inni naukowcy, którzy współpracowali przy projekcie pochodzą z National High Magnetic Field Laboratory na Florida State University, Columbia University, National Institute of Standards and Technology oraz Brookhaven National Laboratory.

The National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, the Welch Foundation, the Department of Energy, Florida State University, the Japan Atomic Energy Agency, and the Friends of Todai Inc. Foundation wsparły tę pracę.