Ruoste ja topologia tehostavat magnetismia

Jokainen käyttämämme sähkömoottori tarvitsee magneetin. Manitoban yliopiston tutkija Rachel Nickel tutkii, kuinka ruoste voisi tehdä näistä magneeteista halvempia ja helpompia valmistaa.

Hänen uusin työ tutki ainutlaatuista rautaoksidin nanohiukkastyyppiä. Tässä materiaalissa on erityisiä magneettisia ja sähköisiä ominaisuuksia, jotka voivat tehdä siitä hyödyllisen. Sillä on jopa potentiaalia kestomagneettina, jota käytämme autojen ja lentokoneiden moottoreissa.

Se mikä erottaa sen muista magneeteista on, että se on valmistettu kahdesta yleisimmästä maapallon alkuaineesta: raudasta ja hapesta. Tällä hetkellä käytämme magneetteja, jotka on valmistettu joistakin planeetan harvinaisimmista alkuaineista.

Tutkijat alkoivat ymmärtää tätä ainutlaatuista ruosteen tyyppiä, jota kutsutaan epsilon-rautaoksidiksi, vasta viimeisen 20 vuoden aikana.

"Nyt epsilon-rautaoksidin erikoisuus on se, että sitä on vain nanomittakaavassa", Nickel sanoo. "Se on pohjimmiltaan hienoa pölyä. Mutta se on hienoa pölyä, jolla on niin uskomaton potentiaali."

Nickelin kaltaisten tutkijoiden on ymmärrettävä sen rakenne voidakseen käyttää sitä jokapäiväisessä teknologiassa. Kun hiukkaskoot muuttuivat, epsilon-rautaoksidin magneettiset ja sähköiset ominaisuudet muuttuivat; tutkijat alkoivat nähdä epätavallista elektronista käyttäytymistä suuremmissa näytteissään.

Nickel toivoo voivansa jatkaa näiden hiukkasten tutkimusta etsiessään joitain outoja magneettisia ja sähköisiä ominaisuuksia.

MIT:ssa tehty tutkimus, jota johti apulaisprofessori Mingda Li, osoittaa ensimmäistä kertaa todisteita siitä, että topologia voi vakauttaa magneettista järjestystä jopa reilusti magneettisen siirtymälämpötilan yläpuolella - pisteessä, jossa magnetismi normaalisti hajoaa.

Pohjimmiltaan, Li sanoo, paperi paljastaa, kuinka topologiset rakenteet, jotka tunnetaan Weyl-solmuina, jotka löytyvät CeAlGesta - eksoottisesta puolimetallista - voivat merkittävästi nostaa magneettisten laitteiden käyttölämpötilaa ja avata oven laajalle alueelle sovelluksia.

Vaikka topologisia materiaaleja käytetään jo antureiden, gyroskooppien ja muiden rakentamiseen, niitä on tutkittu monenlaisiin lisäsovelluksiin mikroelektroniikasta lämpösähköisiin ja katalyyttisiin laitteisiin. Esittämällä menetelmän magnetismin ylläpitämiseksi huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa tutkimus avaa oven entistä laajempiin mahdollisuuksiin, toteavat tutkijat tiedotteessaan.

Jatkossa tiimi aikoo tutkia, voidaanko topologian ja magnetismin suhdetta osoittaa myös muissa materiaaleissa.

Li sanoo, että tulevaisuuden lisätyö käsittelee myös topologisten materiaalien mahdollisia sovelluksia, mukaan lukien niiden käyttöä lämpösähköisissä laitteissa.

Aiheista aiemmin:

Kestomagneettisuutta tuottaen

Magneettien manipulointia atomien tasolla

Magnetismi kohtaa topologian suprajohtimen pinnalla