Группа американских ученых из Университета штата Айова и Лаборатории Эймса (Министерство энергетики СЩА) обнаружили, что они могут повысить мощность ферромагнетиков из редкоземельных металлов, добавляя к ним незначительное количество немагнитного скандия. Статья об исследовании опубликована в журнале Chemistry of Materials, популярно о нем рассказывает Phys.org.

Сами исследователи назвали свой метод «противоречивой экспериментальной находкой». По словам руководителя исследования Ярослава Мудрика, скандий обычно никогда не связывали с магнетизмом, поскольку для этого не было оснований. Но эксперимент, в котором в сплав германия и гадолиний был введен скандий, опроверг это утверждение. «Обычная мудрость говорит, что если вы возьмете соединение A и соединение B и объедините их, то скорее всего, вы получите некоторую комбинацию свойств каждого из них. Однако в случае добавления скандия к гадолинию мы наблюдали резкую аномалию», - отметил Ярослав Мудрик.

Ученые в своем опыте заменили в сплаве гадолиний-германий часть германия, обладающего сильными магнитными свойствами, немагнитным скандием. Полученный сплав (Gd1-xScx) 5Ge4 в итоге продемонстрировал усиление магнитных свойств. Как полагают исследователи, оно связано с тем, что электроны атомы скандия, находящиеся на орбитали 3d1, вступают во взаимодействие с атомами гадолиния из соседних слоев в кристаллической решетке Sm5Ge4. Замена скандия на 20% быстро увеличивают температуру Кюри - точку, ниже которой ферромагнетики способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Работа ученых основана на открытом в 1997 году учеными Лаборатории Эймса - Виталием Пехарским и Карлом Гшнейднером магнитокалорическом эффекте у редкоземельных металлов, который заключается в изменении температуры магнита или магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях, то есть при отсутствии теплового обмена с окружающей средой. В частности, именно на этом принципе основана работа магнитного холодильника: он охлаждает теплые объекты, забирая тепло, попадающее внутрь и сохраняет поглощенное тепло. Часть магнитного холодильника, сохраняющая тепло, называется соляной таблеткой и состоит из парамагнетика, в состав которого входят сплавы редкоземельных элементов. О том, что сплавы солей редкоземельных металлов обладают этим эффектом, было известно еще с 20-х годов ХХ века, но именно работы Пехарского и Гшнейдера  показали, что в сплав дорогих редкоземельных металлов, обладающих свойствами магнита, можно добавлять "немагнитные" в определенных пропорциях, и это не только не снизит мощность магнита, по и выявит дополнительные свойства сплава. Эти работы заложили основу для вычислительной теории, открывшей "охоту" на скрытые свойства редкоземельных металлов, благодаря которым можно изменять свойства сплавов. 

«Основные исследования требуют времени, чтобы они принести плоды.  20 лет назад наша команда начала изучать так называемые соединения 5: 4, и только сейчас мы достаточно узнали об этих уникальных материалах, содержащих редкоземельные элементы, чтобы можно было стать более точными в прогнозировании того, как можно манипулировать их свойствами по своему усмотрению»,  - отметил руководитель группы, сотрудник Лаборатории Эймса и профессор Университета штата Айова Виталий Пехарский. 

Как полагают ученые, открытие может изменить способы применения скандия и других «условно» немагнитных элементов, которые рассматриваются и используются при разработках магнитных материалов и, возможно, поможет  создать новые инструменты для управления и использования магнитных редкоземельных соединений.