В исследовании, проведенном Университетом Лидса и опубликованном сегодня в журнале Nature, исследователи подробно описывают способ изменения квантовых взаимодействий материи, чтобы «возиться с числами» в математическом уравнении, которое определяет, являются ли элементы магнитными, называемое методом Стоунера. Критерий.
Со-ведущий автор Фатма Аль Ма’Мари из Школы физики и астрономии Университета Лидса сказала: «Возможность генерировать магнетизм в материалах, которые не являются естественно магнитными, открывает новые пути к устройствам, в которых используются обильные и безвредные элементы, такие как углерод и медь."
Магниты используются во многих промышленных и технологических приложениях, включая выработку электроэнергии в ветряных турбинах, хранение в памяти на жестких дисках и в медицинской визуализации.
"Технологии будущего, такие как квантовые компьютеры, потребуют нового поколения магнитов с дополнительными свойствами для увеличения возможностей хранения и обработки.
Наши исследования — это шаг к созданию таких «магнитных метаматериалов», которые могут удовлетворить эту потребность », — сказал Аль Ма’Мари.
Тем не менее, несмотря на их широкое использование, при комнатной температуре только три элемента являются ферромагнитными — это означает, что они имеют высокую склонность становиться и оставаться магнитными в отсутствие поля, в отличие от парамагнитных веществ, которые лишь слабо притягиваются к полюсам. магнит и сами по себе не сохраняют магнетизм.
Эти ферромагнитные элементы — это железо, кобальт и никель.
Один из ведущих авторов Тим Мурсом, также из Школы физики и астрономии Университета, сказал: «Наличие такого небольшого разнообразия магнитных материалов ограничивает нашу способность адаптировать магнитные системы к потребностям приложений без использования очень редких или токсичных материалов. Строить устройства только из трех доступных нам магнитных металлов — это все равно что пытаться построить небоскреб, используя только кованое железо. Почему бы не добавить немного углерода и не сделать сталь?"
Условие, определяющее, является ли вещество ферромагнитным, называется критерием Стонера. Это объясняет, почему железо ферромагнитно, а марганец — нет, даже несмотря на то, что элементы находятся бок о бок в периодической таблице.
Критерий Стоунера был сформулирован профессором Эдмундом Клифтоном Стоунером, физиком-теоретиком, который работал в Университете Лидса с 1930-х по 60-е годы.
По сути, он анализирует распределение электронов в атоме и силу взаимодействия между ними.
В нем говорится, что для того, чтобы элемент был ферромагнитным, если вы умножаете количество различных состояний, которые электроны могут занимать на орбиталях вокруг ядра атома, называемых плотностью состояний (DOS), на то, что называется « обмен взаимодействие ‘, результат должен быть больше единицы.
Обменное взаимодействие относится к магнитному взаимодействию между электронами в атоме, которое определяется ориентацией магнитного «спина» каждого электрона — квантово-механического свойства для описания собственного углового момента, переносимого элементарными частицами, с двумя вариантами: ‘вверх или вниз’.
В новом исследовании исследователи показали, как изменить обменное взаимодействие и DOS в немагнитных материалах путем удаления некоторых электронов с помощью интерфейса, покрытого тонким слоем молекулы углерода C60, который также называют «бакиболом».
Движение электронов между металлом и молекулами позволяет немагнитному материалу преодолевать критерий Стонера.
Доктор Оскар Сеспедес, главный исследователь проекта, также из Школы физики и астрономии Университета, сказал: «Мы и другие исследователи заметили, что создание молекулярного интерфейса изменило поведение магнитов.
Для нас следующим шагом было проверить, можно ли использовать молекулы для создания магнитного упорядочения в немагнитных металлах."
Исследователи говорят, что исследование успешно продемонстрировало эту технику, но необходимы дальнейшие работы, чтобы сделать эти синтетические магниты сильнее.
"В настоящее время вы не сможете приклеить один из этих магнитов к своему холодильнику. Но мы уверены, что применение этой техники к правильной комбинации элементов даст новую форму дизайнерских магнитов для нынешних и будущих технологий », — сказал д-р Сеспедес.