Tema

Ny form av magnetism upptäckt i grundämnet neodym

Grundämnet neodym har visat sig ha en hittills okänd form av magnetism, uppbyggd av en blandning av magnetiska spiraler, enligt forskning från Uppsala universitet. Upptäckten kan bli användbar i utvecklingen av mer miljövänlig teknik.

Ett materials magnetism kan användas inom en mängd olika områden. Med utvecklingen av grönare teknik i samhället förväntas behovet av nya och förbättrade magnetiska material bli ännu större.

Förbryllande magnetism

Grundämnet neodym är en viktig beståndsdel i starka magneter som används i mängder av tillämpningar, från mobiltelefoner till vindkraftverk. Trots dessa användningsområden har magnetismen i rent neodym förbryllat forskarvärlden i mer än ett halvt sekel. Forskare från Uppsala universitet och Radbouduniversitetet i Nederländerna har nu visat att neodym uppvisar en hittills okänd form av magnetisk ordning, uppbyggd av en blandning av magnetiska spiraler.

Neodym används i datorer och elmotorer

Neodym är ett grundämne som hör till de sällsynta jordartsmetallerna. Dessa ämnen är inte alltid så sällsynta som namnet låter påskina men de har historiskt sett vara svåra att utvinna. Neodym används främst som del i den starka permanentmagneten Nd2Fe14B, som är en viktig komponent i många olika tillämpningar, från magnetiska hårddiskar till elmotorer. Den magnetiska ordningen i neodym har tidigare studerats främst med hjälp av neutronspridning. I framtiden kan de nya rönen om neodyms magnetiska ordning komma att kompletteras med studier vid den avancerade neutronkällan ESS, som är under uppbyggnad i Lund.

De olika spiralerna, som kallas spinnspiraler, trasslar lätt in sig i varandra vilket gör att det inte finns ett väldefinierat grundtillstånd. Istället förändras den magnetiska strukturen alltid långsamt över tiden. Beteendet påminner en del om hur atomerna i vanligt glas inte sitter fastfrusna utan ständigt rör sig.

Spinnspiralglas kan användas inom andra fält

Denna nya typ av dynamisk magnetisk ordning kallas därför för ett spinnspiralglas. Förutom att kunna beskriva neodyms magnetism, är det troligt att den dynamik som spinnspiralglasen uppvisar även kan användas för att beskriva fenomen inom helt andra fält – till exempel artificiell intelligens som härmar hjärnans beteende.

Som atomära magneter

Förenklat kan man beskriva ett magnetiskt material som att det sitter små stavmagneter på varje atom. Dessa små atomära magneter uppkommer av de elektroner som finns i materialet och som har en kvantmekanisk egenskap kallad ”spinn”. Beroende på hur de atomära magneterna ordnar sig kan man dela magnetiska material i olika sorter.
Om alla atomära magneter pekar åt samma håll beter sig materialet som en enda stor magnet och har en magnetisk ordning som kallas ferromagnetism (efter namnet för järn, ferrum på latin). Pekar de atomära magneterna i helt slumpmässiga riktningar får man i stället en paramagnet. Om de atomära magneterna ordnar sig som en spiral, det vill säga en ordnad struktur där magneterna vrider sig kring någon axel kallas den magnetiska ordningen en spinnspiral.

Spinnglas kallas en klass av magnetiska material som vid en första blick ser ut att vara en oordnad paramagnet men som ändå uppvisar en dynamik, det vill säga rörelser, vilka följer bestämda mönster över tid. Den dynamik som spinnglas uppvisar kan även ses på helt andra fenomen som inte har något med magnetism att göra, till exempel i biologiska system. Spinnspiralglas kan ses som en variant på spinnglas, med liknande dynamik, men där magnetismen består av blandning av olika spinnspiraler och därför inte är lika oordnat som ett vanligt spinnglas.

– Neodyms magnetism har varit omdiskuterad under lång tid. Våra resultat visar också att det välstuderade beteendet hos spinnglas kan uppkomma även i material som inte är oordnade, vilket man tidigare trott. Det betyder att det finns drivkrafter bakom dessa fenomen som ännu inte har förståtts helt. Rimligtvis borde det finnas flera andra material än neodym som beter sig som spinnspiralglas, säger Anders Bergman, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

Vill förstå drivkrafterna bakom fenomenet

– Nu har vi visat att själva fenomenet spinnspiralglas finns och har en grundläggande förståelse av dess orsak, men vi vill gå vidare och förstå ännu mer om drivkrafterna bakom detta fenomen. Vi planerar att fortsätta studera neodym, men även andra material som vi tror kan uppvisa liknande beteende, säger Diana Iuşan, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

Fotnot:

Vid Uppsala universitet har forskarna Anders Bergman, Diana Iuşan, Lars Nordström och Olle Eriksson arbetat med studien.

Vetenskaplig artikel:

Self-induced spin glass state in elemental and crystalline neodymium, Science

Kontakt:

Anders Bergman, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, anders.bergman@physics.uu.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Ny form av magnetism upptäckt i grundämnet neodym

 lästid ~ 3 min