Titan och guld är inte magnetiska – såvida man inte kombinerar dem på rätt sätt.

Forskare vid Rice University gjorde det och upptäckte vad som är en första i sitt slag: en ambulerande antiferromagnetisk metall – TiAu – tillverkad av icke-magnetiska beståndsdelar.

Även om användningsområdena för den här magneten ännu inte har fastställts, skulle upptäckten kunna öka den vetenskapliga förståelsen av magnetism.

En öppen artikel om forskningen publiceras i Nature Communications.

Väldigt kalla temperaturer

Detta är inte den typ av magnet som man skulle fästa på ett kylskåp. Magnetisk ordning uppträder bara i TiAu när metallen kyls ner till 36 kelvin, cirka minus 395 grader Fahrenheit.

”Magnetisering är en funktion av temperaturen”, säger huvudförfattaren Eteri Svanidze. ”Magnetens beställningstemperatur framträder som en anomali i den jämna kurva som vi ser i sådana magnetiseringsmätningar.”

För vanliga magneter är den temperaturen i allmänhet hundratals grader Fahrenheit, mycket varmare än vilket kök som helst. Men energi- och temperaturskalan i okonventionella magneter, som de få som inte har några magnetiska element, är drastiskt reducerad.

Svanidze säger att magneterna kommer att förbättra studierna av annan viktig fysik, som fasövergångar (som i fast-till-flytande eller vätska-till-gas) som äger rum vid den absoluta nollpunkten, så kallade kvantfatsövergångar.

50 år senare

TiAu är bara den tredje kända vandrande magnetiska metallen som tillverkats utan magnetiska element. De andra två, båda ferromagneter som aktiverar sin magnetiska ordning vid ännu kallare temperaturer än TiAu, upptäcktes för ett halvt sekel sedan. En del av orsaken till det långa gapet är att TiAu är utmanande att tillverka.

”När vi började leta kom vi på varför 50 år hade gått utan ytterligare upptäckter”, säger Emilia Morosan, fysiker vid Rice. ”De flesta andra möjliga kandidater var problematiska på ett eller annat sätt. De var svåra att tillverka, kemiskt instabila, giftiga eller krävde en hög temperatur som inte var tillgänglig i laboratoriet.”

”Vi var tvungna att kassera många kandidatföreningar”, tillägger Svanidze, som arbetade med projektet i sex år som doktorand vid Rice.

Men beräkningar av den elektroniska strukturen visade att en blandning av titan och guld i förhållandet 1:1 skulle kunna ha de egenskaper som de letade efter.

”Det här är inte ett nytt material”, säger Svanidze. ”Det vi hittade är dess magnetiska egenskaper, och det är där den intressanta fysiken kommer in.”

Magnetiska extremer

Material blir vanligtvis magnetiska när de utsätts för ett fält som får de magnetiska momenten hos atomerna att komma i linje. Tänk dig att varje atom eller jon är en liten självständig magnet som kan anpassa sig till närliggande magnetiska joner, som nålen på en kompass.

Det magnetiska momentet hos ett material kan vara lokalt (bundet till en specifik atom) eller ambulerande (inte bundet till en enda atom). Itineranta vandrare kan utsträcka sitt inflytande över mer än en atom, vilket underlättar kommunikationen mellan deras spinntillstånd ”uppåt” eller ”nedåt”. De möjliggör också praktiska saker som elektrisk ledningsförmåga i metaller.

Atomära moment i ferromagneter med lokala moment – det vill säga vanliga magnetiska material – ställer in alla sina spinn i samma riktning. I en antiferromagnet är atommomenten riktade i motsatt riktning.

Morosan säger att det är viktigt att känna till dessa extremer i det magnetiska beteendet.

”Teoretiskt sett förstår vi lokalmomentmagnetismen ganska bra, och vi har en viss förståelse för det ambulerande momentet, men de flesta riktiga system befinner sig mellan dessa två,” säger hon. ”Vi måste förstå ytterligheterna för att kunna förstå fysiken i det som händer mellan dem.”

”Jag tror att det mest betydelsefulla är att ett sådant fenomen är mycket sällsynt”, säger Jiakui Wang, en annan doktorand från Morosans labb och medförfattare till artikeln. ”Det här är första gången ett sådant antiferromagnetiskt material har upptäckts, så det är fundamentalt viktigt. Det gör vår förståelse av magnetism djupare.”

Morosan säger att grundläggande vetenskapliga upptäckter ofta behöver tid för att ge upphov till tillämpningar.

”Min förhoppning är att vi så småningom kan hitta tillräckligt många av dessa system för att förstå dem bättre. Då vet vi vad vi har att göra med och kan tillverka föreningar med exakt de egenskaper vi vill ha.”

Andra forskare som samarbetat i projektet kommer från National High Magnetic Field Laboratory vid Florida State University, Columbia University, National Institute of Standards and Technology och Brookhaven National Laboratory.

National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, Welch Foundation, Department of Energy, Florida State University, Japan Atomic Energy Agency och Friends of Todai Inc. Foundation stödde arbetet.