Nyupptäckt metallstruktur kan bana väg för nya magneter
En tidigare okänd struktur hos grundämnet curium kan förhoppningsvis bli till god hjälp i sökandet efter nya magnetiska material. Starka så kallade permanentmagneter är en förutsättning för den tekniska utvecklingen inom många områden. Upptäckten av den nya strukturen, där en forskargrupp från KTH står för de teoretiska beräkningarna, finns med i senaste numret av Science.
Behovet av nya magneter är stort inom många områden, till exempel bilindustrin. En modern bil innehåller uppemot 50 permanentmagneter och de kommande hybridbilarna är i högsta grad beroende av effektiva magneter. Högtalare, mikrofoner och allehanda sensorer är andra exempel där bra permanentmagneter spelar stor roll. Inom forskarvärlden pågår därför ständigt ett sökande efter nya magnetiska ämnen som kan användas till små, starka och därmed lätta permanentmagneter.
– Teknikutvecklingen vill alltid ha bättre magneter. Om vi inte haft neodymjärnborid-magneten som togs fram i mitten av 1980-talet skulle till exempel startmotorn i våra bilar väga kanske tio gånger så mycket och våra hårddiskar vara tio gånger större, säger Börje Johansson, professor i tillämpad materialfysik på KTH, som lett arbetet med de teoretiska beräkningarna kring den nyupptäckta strukturen.
Upptäckten av denna nya struktur hos metallen curium, ett grundämne som inte förekommer naturligt, är ett viktigt grundvetenskapligt framsteg.
– Kunskapsnivån om sambanden mellan magnetism och struktur höjs och gör att vi får en bättre förståelse för var och under vilka betingelser vi kan hitta nya magneter. Bland grundämnena är det endast kobolt och järn som antar kristallstrukturer som bestäms av det magnetiska tillståndet. Nu har vi faktiskt hittat ett tredje element, låt vara ett exotiskt sådant och under extrema betingelser, säger Börje Johansson.
Forskningen har skett i samarbete med amerikanska och tyska forskare, som framställt och undersökt
curiummetallen under mycket högt tryck – 1 Mbar, vilket motsvarar en fjärdedel av trycket i jordens innersta -där curiumets volym reducerats till hälften. Den kristallstruktur som upptäcktes liknade inte någon tidigare känd struktur hos närbesläktade ämnen. KTH-forskarnas beräkningar visade dock på andra likheter med våra mest kända och använda magnetiska ämnen, järn och kobolt, när det gäller hur elektronernas spinn är arrangerade.
– När vi räknade och jämförde med kända strukturer visade det sig att den här unika strukturen hos curiumet förutsätter magnetiska egenskaper, säger Börje Johansson.
Att magnetism och struktur så tätt hänger samman har att göra med naturens strävan att låta allting inta det mest energivinnande läget. I atomer avgörs energiinnehållet bland annat av elektronernas avstånd till atomkärnan, inbördes placering och dessutom av hur deras så kallade spinn inbördes är riktade (åt samma eller motsatt håll). Dessa spinn ger upphov till magnetfält som ibland ger ett ämne magnetiska egenskaper. Det KTH-forskarna kunnat konstatera är att den energisnålaste lösningen för den nyupptäckta strukturen är av sådan art att elektronernas spinn ger upphov till magnetism.
Högtrycksexperimenten där den nya strukturen upptäcktes gjordes vid Europas största synkrotronljusanläggning i Grenoble av forskare från Institute for Transuranium Elements i Karlsruhe. Curiumet framställdes i en reaktor av forskare vid Oak Ridge National Laboratory i USA.
Kontaktinformation
Kontakt: Börje Johansson, 08-790 8823, 070-417 54 52, borje@mse.kth.se
