В современных магнитах железо придает большую силу большинству магнитов, а его преимущества — в изобилии и дешевизне. Но рецепт магнита должен также включать редкоземельные элементы, которые придают магнитам «постоянство» или способность сохранять фиксированное направление магнитного поля (также называемое анизотропией).
Проблема в том, что редкоземельные материалы дороги и подвержены риску нехватки внутренних поставок. Таким образом, идеальные постоянные магниты следующего поколения будут в большей степени полагаться на железо или другие распространенные материалы, а не на редкоземельные элементы.
«Прорыв здесь в том, что мы видим магнитную анизотропию, обычно связанную с ионами редкоземельных элементов в железе», — сказал Пол Кэнфилд, физик из лаборатории Эймса. «На данный момент это не промышленный прорыв, потому что эти магнитные свойства проявляются только при криогенных температурах. Но это прорыв в фундаментальной науке, который, мы надеемся, укажет путь к будущим техническим прорывам».Исследовательская группа Кэнфилда известна во всем мире своим опытом в области проектирования, открытия, развития и описания новых и многообещающих материалов.
В этих усилиях Кэнфилд и его коллеги, в том числе научный сотрудник, занимающийся постдокторскими исследованиями Антон Йеше, разработали новую технику выращивания монокристаллов нитрида лития-железа из раствора лития-азота.«Использование азота в процессе выращивания раствора еще не было хорошо изучено, потому что, поскольку мы обычно думаем об азоте как о газе, трудно попасть в раствор», — сказал Йеше. «Но мы обнаружили, что литий — самый легкий твердый элемент — выглядел как он мог удерживать азот в растворе.
Итак, мы смешали литий и порошок нитрида лития, и он сработал. Получился раствор ».Затем группа добавила железа, и, к их удивлению, железо растворилось.
«Обычно железо и литий не смешиваются», — сказал Кэнфилд, который также является заслуженным профессором физики и астрономии в Университете штата Айова. «Кажется, добавление азота к литию в растворе позволяет железу проникать внутрь».Полученные в результате монокристаллы железозамещенного нитрида лития преподнесли еще больше сюрпризов: противоположное внешнее поле, необходимое для перемагничивания, составляло более 11 тесла, что на порядок больше, чем у имеющихся в продаже постоянных магнитов и на два или более порядка. величина больше, чем обычно в монокристаллах. Еще одним свидетельством экзотического состояния железа в этом соединении является индуцированное полем квантовое туннелирование, обнаруженное для очень разбавленных концентраций железа при относительно высокой температуре 10 Кельвинов, что на порядки выше, чем то, что наблюдалось ранее.«С помощью подробных измерений мы увидели, что эти отдельные ионы железа действительно ведут себя так же, как и один редкоземельный ион», — продолжил Кэнфилд. «И мы считаем, что это связано с особой, довольно простой геометрией, в которой находится железо: один атом железа расположен между двумя атомами азота.
Мы надеемся, что этот метод выращивания кристаллов и этот конкретный материал могут стать модельной системой для дальнейших теоретических исследований. изучение этих редкоземельных ионов железа. В существующем виде эти материалы имеют очевидное значение для поиска не содержащих редкоземельных элементов заменителей постоянных магнитов — и, возможно, также могут повлиять на хранение и обработку данных в приложениях квантового компьютера ».
Исследование финансируется Управлением науки Министерства энергетики США.