Компьютер научили предсказывать новые магнитные материалы

Группа материаловедов из Университета Дьюка (США) и Тринити-колледжа (Ирландия) представила метод предсказания магнитных свойств в новых материалах. В качестве доказательства метода были рассчитаны и синтезированы два новых сплава, обладающих магнитными свойствами. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Для возникновения в веществе магнитных свойств, атомы, входящие в его состав, должны иметь незаполненные электронные оболочки. Поэтому далеко не все вещества могут проявлять магнетизм: из примерно ста тысяч известных неорганических соединений в той или иной мере им обладают лишь около двух процентов. Учитывая дополнительные требования, предъявляемые к магнитам промышленностью, количество реально используемых сплавов с магнитными свойствами сокращается до нескольких десятков. Многие соединения с высокими магнитными свойствами содержат редкоземельные элементы, запасы которых ограничены, а некоторые из них добываются всего в нескольких странах.

Для поиска новых магнитных материалов ученые сосредоточились на т.н. сплавах Гейслера — соединениях трех металлов состава A₂BC. Выбор материала исследователи обосновали несколькими факторами. Во-первых, к данному классу относятся несколько уже известных сплавов, причисляемых к сильным магнетикам. Во-вторых, сплавы Гейслера — класс соединений, включающий в себя большое количество элементов и возможных их комбинаций, что повышает вероятность нахождения нового сплава с интересующими свойствами. Также, этот класс хорошо подходит для моделирования взаимодействия электронов в веществе.

Если рассматривать комбинации соединений трех металлов, в которых каждый представлен 55 различными элементами, число таких комбинаций составит около 230 тысяч штук. Для сокращения числа возможных сплавов-кандидатов для синтеза отбор был разбит на два этапа. Сначала была рассчитана термодинамическая стабильность всех возможных комбинаций данных элементов типа A₂BC. Расчет показал, что лишь 248 соединений оказываются стабильными. Дальнейшее моделирование магнитных свойств и окончательный термодинамический расчет показал, что лишь 14 соединений обладают магнитным моментом.

После нескольких лет попыток синтезировать рассчитанные соединения были получены два сплава: Co₂MnTi и Mn₂PtPd. Для Co₂MnTi расчеты предсказывали очень высокую температуру Кюри (температуру, при которой, в частности, соединение теряет свои магнитные свойства). Фактическая температура Кюри оказалась на уровне 665℃, что всего на два градуса ниже предсказанной моделированием. Второе соединение — Mn₂PtPd, обладает антиферромагнитными свойствами. Ученые допускают, что полученные в их работе магниты могут не получить широкого распространения, однако, описанная методика поможет значительно ускорить процесс поиска новых материалов с заданными свойствами, причем не только магнитными. На данный момент, основным ограничивающим фактором остается поиск путей для химического синтеза, тогда как подбор соединения с интересующими свойствами с помощью представленной методики не потребует больших временных и трудозатрат.

Потенциально, полученные в рамках работы сплавы могут быть использованы в датчиках магнитного поля или магнитных записывающих устройствах. Недавно группа физиков добилась предельной плотности магнитной записи информации — по одному биту информации на один атом.

 Григорий Копиев