Ученые научились предсказывать новые магнетики

Ключевым условием возникновения магнитных свойств в веществе выступает наличие незаполненных электронных оболочек в его атомах. Поэтому статусом магнетиков обладают немногие материалы: на сто тысяч неорганических соединений приходится лишь два процента веществ с магнитными свойствами. При этом с учетом дополнительных требований, которые предъявляются к промышленным магнитам, число магнетиков с коммерческим потенциалом составляет около нескольких десятков. Дело в том, что большинство соединений с высокими магнитными свойствами включают в себя редкоземельные элементы, добыча которых сильно ограничена.

В новой работе для поиска новых магнетиков сотрудники Тринити-колледжа и Университета Дьюка сосредоточились на гейслеровых сплавах, в частности соединениях вида A₂BC. Выбор материала был обусловлен следующими причинами. Во-первых, к этому классу материалов относится ряд уже известных сплавов с высокими магнитными свойствами. Во-вторых, сплавы Гейслера включают в себя класс соединений, предусматривающих большое количество элементов и их комбинаций, что увеличивает вероятность обнаружения сплава с целевыми характеристиками. Наконец они оптимально подходят для моделирования электронных взаимодействий в веществе.

При рассмотрении комбинации из трех металлов, каждый из которых может быть представлен одним из 55 различных элементов, число вариантов составит порядка 230 единиц. Чтобы сократить число потенциальных кандидатов, исследователи разделили отбор на два этапа. Сначала они рассчитали термодинамическую стабильность всех вероятностных комбинаций элементов вида A₂BC. Согласно анализу, стабильностью обладали лишь 248 соединений. Последующее моделирование и итоговый термодинамический расчет позволили выделить 14 соединений, имеющих магнитный момент. Затем, после нескольких попыток синтеза на основе моделей, ученые получили два сплава: Mn₂PtPd и Co₂MnTi.

Расчеты предсказывали для Co₂MnTi чрезвычайно высокую температуру Кюри (при которой вещество, в частности, теряет магнитные свойства). Фактическое значение составило 665 градусов Цельсия, что оказалось только на два градуса меньше величины, предсказанной моделью. Второй материал, Mn₂PtPd, имел антиферромагнитные свойства (слабую намагниченность). По мнению ученых, представленные в эксперименте магниты, вероятно, не получат широкого распространения, однако описанный метод может значительно упростить и ускорить поиск новых магнетиков, а также материалов с другими заданными свойствами. Основным ограничением техники остается поиск способов их химического синтеза.

Подробности исследования представлены в журнале Science Advances.

Ранее группа американских материаловедов сформулировала универсальный закон, который описывает свойства метамагнетиков. В будущем эти сплавы могут использоваться для создания более эффективных холодильных установок и рентгеновских сканеров, например в аэропортах.