Titaniul și aurul nu sunt magnetice – cu excepția cazului în care le combinați exact așa.

Cercetătorii de la Universitatea Rice au făcut acest lucru și au descoperit ceea ce este o premieră de acest gen: un metal antiferomagnetic itinerant – TiAu – realizat din elemente constitutive nemagnetice.

În timp ce utilizările pentru acest magnet particular nu au fost încă determinate, descoperirea ar putea îmbunătăți înțelegerea științifică a magnetismului.

O lucrare cu acces liber despre cercetare apare în Nature Communications.

Temperaturi foarte scăzute

Nu este genul de magnet pe care cineva l-ar lipi de un frigider. Ordinea magnetică apare în TiAu doar atunci când metalul este răcit la 36 kelvins, aproximativ minus 395 de grade Fahrenheit.

„Magnetizarea este o funcție a temperaturii”, spune autorul principal Eteri Svanidze. „Temperatura de comandă a magnetului apare ca o anomalie în curba netedă pe care o vedem în astfel de măsurători ale magnetizării.”

Pentru magneții obișnuiți, această temperatură este în general de sute de grade Fahrenheit, mult mai fierbinte decât orice bucătărie. Dar energia și scara de temperatură în magneții neconvenționali, cum ar fi cei câțiva care nu au elemente magnetice, sunt drastic reduse.

Svanidze spune că magneții vor îmbunătăți studiile altor fizici importante, cum ar fi tranzițiile de fază (ca în cazul tranzițiilor de la solid la lichid sau de la lichid la gaz) care au loc la zero absolut, numite tranziții de fază cuantică.

50 de ani mai târziu

TiAu este doar al treilea metal magnetic itinerant cunoscut, realizat fără elemente magnetice. Celelalte două, ambele feromagnetice care își activează ordinea magnetică la temperaturi chiar mai scăzute decât TiAu, au fost descoperite în urmă cu o jumătate de secol. O parte din motivul acestui decalaj lung este că TiAu este dificil de fabricat.

„Când am început să căutăm, am aflat de ce trecuseră 50 de ani fără alte descoperiri suplimentare”, spune fizicianul Emilia Morosan de la Rice. „Majoritatea celorlalți posibili candidați erau problematici într-un fel sau altul. Erau greu de fabricat, instabili din punct de vedere chimic, toxici sau necesitau o temperatură ridicată care nu era accesibilă în laborator.”

„A trebuit să renunțăm la mulți compuși candidați”, adaugă Svanidze, care a lucrat la proiect timp de șase ani ca student absolvent la Rice.

Dar calculele de structură electronică au arătat că un amestec 1 la 1 de titan și aur ar putea avea proprietățile pe care le căutau.

„Acesta nu este un material nou”, spune Svanidze. „Ceea ce am descoperit sunt proprietățile sale magnetice, iar aici intervine fizica interesantă.”

Extreme magnetice

Materialele devin de obicei magnetice atunci când sunt expuse la un câmp care aliniază momentele magnetice ale atomilor săi. Gândiți-vă la fiecare atom sau ion ca la un mic magnet de sine stătător care se poate alinia cu ionii magnetici vecini, ca acul unei busole.

Momentul magnetic al unui material poate fi local (legat de un anumit atom) sau itinerant (nelegat de un singur atom). Momentul itinerant își poate extinde influența asupra mai multor atomi, facilitând comunicarea între stările lor de spin „sus” sau „jos”. Ei permit, de asemenea, lucruri la îndemână, cum ar fi conductivitatea electrică în metale.

Momentele atomice din feromagneții cu momente locale – adică materialele magnetice obișnuite – aliniază toți spinii lor în aceeași direcție. Într-un antiferromagnet, momentele atomice se aliniază în direcții opuse.

Morosan spune că este important să cunoaștem aceste extreme ale comportamentului magnetic.

„Din punct de vedere teoretic, înțelegem destul de bine magnetismul cu momente locale și avem o oarecare înțelegere a momentului itinerant, dar majoritatea sistemelor adevărate trăiesc cu adevărat între ele”, spune ea. „Trebuie să înțelegem extremele pentru a ne da seama de fizica a ceea ce se întâmplă între ele.”

„Cred că partea cea mai semnificativă este că un astfel de fenomen este foarte rar”, spune Jiakui Wang, un alt student absolvent al laboratorului Morosan și coautor al lucrării. „Este pentru prima dată când a fost descoperit un astfel de material antiferomagnetic, așa că este fundamental semnificativ. Face ca înțelegerea noastră a magnetismului să fie mai profundă.”

Morosan spune că descoperirile științifice fundamentale au adesea nevoie de timp pentru a genera aplicații.

„Speranța mea este că, în cele din urmă, putem găsi suficient de multe astfel de sisteme pentru a le înțelege mai bine. Atunci vom ști cu ce avem de-a face, astfel încât să putem face compuși cu proprietățile exacte pe care le dorim.”

Alți cercetători care au colaborat la proiect sunt de la Laboratorul Național de Câmpuri Magnetice Înalte din cadrul Universității de Stat din Florida, Universitatea Columbia, Institutul Național de Standarde și Tehnologie și Laboratorul Național Brookhaven.

Fundația Națională pentru Știință, Inițiativa de Cercetare Universitară Multidisciplinară a Biroului de Cercetare Științifică al Forțelor Aeriene, Fundația Welch, Departamentul de Energie, Universitatea de Stat din Florida, Agenția Japoneză pentru Energie Atomică și Friends of Todai Inc. Foundation au sprijinit această lucrare.

.