Upptäckten av magnetism kan öppna dörren till enorma besparingar

Forskare från Ames National Laboratory och US Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory genomförde en djupgående undersökning av det skiktade Kagome TbMn6Sn6 topologiska materialet för att bättre förstå dess magnetiska egenskaper. Dessa fynd kan påverka framtida tekniska utvecklingar inom kvantberäkning, magnetiska lagringsmedia och högupplösta sensorer.

Forskning diskuteras i artikeln Konkurrerande lågtemperaturferromagneter i topologiska TbMn6Sn6 ferromagneter, Publicerad i Physical Review X. ”kagome” är en typ av material vars struktur har fått sitt namn från den traditionella japanska korgvävningstekniken. Väven producerar ett mönster av hexagoner omgivna av trianglar och vice versa. Arrangemanget av atomer i Kagome-mineraler återger idén om textur. Denna egenskap gör att elektronerna i materialet beter sig på unika sätt.

Kagome struktur

Fasta ämnen har egenskaper Elektromagnetisk styrd av den elektroniska bandstrukturen. Bandstrukturen är starkt beroende av atomgittrets geometri, och ibland kan band anta vissa former, såsom koner. Dessa speciella former, som kallas topologiska egenskaper, är ansvariga för det unika beteendet hos elektroner i dessa material. I synnerhet Kagome-strukturen leder till komplexa och modifierbara egenskaper i elektroniska intervall.

Användningen av magnetiska atomer för att bygga ett nätverk av sådana material, såsom Mn i TbMn6Sn6, kan bidra till topologiska egenskaper. Rob McQueen, Ames Laboratory Scientist och projektledare, förklarade att topologiska material ”Den har en speciell egenskap där det, under påverkan av magnetism, är möjligt att få strömmar som flyter vid kanten av materialet, som saknar spridning, vilket innebär att elektroner inte sprider och inte försvinner energi ”.

Teamet försökte bättre förstå TbMn6Sn6s magnetism och använde beräkningar och neutronspridningsdata som samlats in av Oak Ridge Spallation Neutron Source för att utföra sin analys. Simon Rebrolis, en postdoktor vid Ames Lab och medlem i projektgruppen, förklarade den experimentella tekniken som laget använde. Denna teknik involverar en stråle av neutronpartiklar som används för att kontrollera styvheten hos det magnetiska arrangemanget. ”Arten och styrkan hos de olika magnetiska interaktionerna som finns i materialen kan bestämmas med den här tekniken,” sa han.

De fann att TbMn6Sn6 har konkurrerande interaktioner mellan lagren, eller så kallad frustrerad magnetism. ”Vanligtvis betyder detta att om du slår på den kan du tvinga den att göra olika saker. Men vad vi upptäckte i det här materialet är att även om det finns konkurrerande interaktioner, finns det andra interaktioner som är dominerande.”

Detta är den första publicerade detaljerade undersökningen av de magnetiska egenskaperna hos TbMn6Sn6. ”Inom forskning är det alltid spännande när man förstår något nytt eller mäter något som inte har setts tidigare, delvis förstått eller annorlunda,” sa Rebrolis.

McQueeney och Riberolles förklarade att deras resultat indikerar att materialet kan anpassas till specifika magnetiska egenskaper, till exempel genom att ändra Tb till ett annat sällsynt jordartselement, vilket kan förändra föreningens magnetism. Denna grundforskning banar väg för fortsatta framsteg i upptäckten av Kagome-mineralerna.

Detta är bara det första steget som tagits. Resultaten av denna sökning kommer sannolikt att gälla en lista längre än listan ovan. Elektromagneter och elektriska spolar eller ledningar som roterar runt ett föremål skapar ett magnetfält. Det största problemet är att dessa trådar är långa och lider av ”linjeförlust” som värme. Miljontals koppartrådsbaserade generatorer används idag. Användningen av en metallledare med ett Kagome-chassi gör att elektriska förluster och deras omvandling till värme hålls till ett minimum. Potentialen för energibesparingar är enorm.

Dessa magneter driver motorer och transformatorer som ger energi till hem och företag, såväl som en enorm lista med andra applikationer.

Detta är en viktig funktion för energibesparing och för att göra mer kraft tillgänglig för att minska elektriciteten. Vi hoppas att detta teams arbete kommer att påskyndas och leverera större, skalbara resultat mycket snart.