Компьютер научили предсказывать новые магнитные материалы

DMGualtieri / Wikimedia Commons

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


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.