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非磁性元素形成独特磁性

2019-10-09 18:54:50来源:励志吧0次阅读

(图示为美国莱斯大学的研究人员们,(从左向右为) Emilia Morosan, EteriSvanidze和Jiakui Wang 揭示了第一个流动性反磁性物质的发现。图片来源: Jeff Fitlow/Rice University)

钛和金通常没有磁性,不能作为磁体——除非你将它们结合起来。

来自莱斯大学的科学家们就是这样做的,并首开先河的发现了:一种流动性的反铁磁金属——TiAu——由非磁性元素构成。

莱斯大学物理学家Emilia Morosan的实验室进行的研究,已经被列为如何产生磁性金属的典型案例。然而这种特殊的磁体的用途尚未确定,这项发现可以提高对于磁性科学认识。

有关该研究的论文发表在本周的《Nature Communications》杂志上。

这是不是那种像冰箱贴一样贴在冰箱上的磁铁。而是仅当金属被冷却到36开尔文时,即约零下395华氏度TiAu才会出现磁序。

“磁化是温度的函数”该论文的主要作者EteriSvanidze说。 “磁铁的有序化温度出现在我们的这种磁化中,测量时可以看到异常平滑的曲线”。对于普通的磁铁,其温度通常为数百华氏度,比任何厨房里的温度更热。但非常规磁体的能量和温度的规模,如少数一些没有磁性的元素,被大幅度减少了。

Svanidze说,磁体将提高其他的重要物理研究,像相变(如在固 - 液或者液 - 气),发生在绝对零度,称为量子相变。

TiAu只是第三种由没有磁性的元素制成的流动性反磁性物质。而另外两种铁磁体都在比TiAu更冷的温度激活了它们的磁性,而且在半个世纪前被发现。而这么长期缺口的部分原因是,TiAu的制作非常具有挑战性。

“当我们开始寻找材料的时候,我们找到了为何50年已经过去了依旧没有进一步的发现,”Morosan说。 “大多数其他可能的候选材料,都是有这样或那样的问题,导致他们是很难被做出,或化学性质不稳定,或有毒或需要高温,不是在实验室能够进行完成的。”

“我们不得不放弃许多候选化合物,”在该项目工作了六年的来自莱斯大学的研究生Svanidze说。

但电子结构计算表明,钛和金的1比1的组合有可能是他们正在寻找的属性。 “这不是一个新的材料,”Svanidze说。 “我们发现的是其磁性能,而这也正是物理有趣的原因。”

通常当材料暴露于会给它原子的磁矩带来一直顺序的场中时,会变为磁体。即假想每个原子或离子作为一个微小的自足体,可以与相邻磁性离子排序,就像一个罗盘针。

材料的磁矩可以是局部的(依赖于特定原子)或流动的(未键合到一个单一的原子)。流动的游荡可以延长他们的影响力超过一个原子,促进他们之间的“向上”或“向下”的自旋态通信。他们还可以存在像金属导电性的性质。

原子磁矩在局部矩铁磁体——即共同磁性材料——所有的自旋在同一方向上对齐。在反铁磁中,原子磁矩的对齐方向相反。

Morosan说,了解这些极端磁性行为很重要。 “从理论上讲,我们可以透彻了解局部矩磁,而且我们对于瞬时磁矩有一定的了解,但最真实的系统是在两者之间,”她说。 “我们必须明白极端行为,为了搞清楚其中发生了什么物理变化。”

“我觉得最重要的一点是,这种现象是非常罕见的,”另一个来自Morosan实验室的研究生及该论文的共同作者Jiakui Wang说。 “这是第一次发现这样的反铁磁材料,所以从基础上看很重要。它使我们对磁性有更深的理解。”

Morosan说,基础科学发现往往需要时间来孕育实际应用。 “我希望我们最终能找到足够多的这些系统,以更好地了解他们。然后我们就能知道我们正在研究的是什么,因而可以做出具有我们想要的确切性质的化合物。”

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