Forskere har skabt en magnet med næsten intet magnetfelt

Et internationalt forskerhold med DTU i spidsen har udviklet et nyt magnetisk materiale, som har en stabil magnetisk struktur, næsten intet ydre magnetfelt og som bevarer denne egenskab ved stuetemperatur.

Netop disse egenskaber kan få betydning for kommende generationer af elektriske teknologier, f.eks. inden for elektronik, hvor man bruger magnetiske egenskaber i stedet for elektrisk ladning til informationsbehandling, såkaldt spintronics. Resultaterne er offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Chemistry.

Materialet tilhører en sjælden klasse af såkaldte kompenserede ferrimagneter, hvilket dækker over magneter, hvor de magnetiske momenter inde i materialet peger i forskellige retninger. Her er magnetismen internt meget stærk, mens de magnetiske momenter næsten ophæver hinanden. Det betyder, at materialet som helhed kun udviser et yderst svagt magnetfelt. Det adskiller sig fra klassiske magneter, der qua deres magnetfelt er omgivet af uønsket magnetisk interferens eller 'støj', som gør dem svære at integrere i elektroniske kredsløb.

“Vi har nu et materiale med en meget velordnet magnetisk struktur, men uden det magnetfelt, som normalt giver problemer i elektronik,” siger professor Kasper Steen Pedersen fra DTU Kemi.

Han har ledet udviklingen af det nye materiale i samarbejde med forskere fra DTU Kemi, European Synchotron Radiation Facility (Frankrig), Institut Laue-Langevin (Frankrig), Københanvs Universitet, Jagiellonian University (Polen) og Universidad Andrés Bello (Chile).

Mindre forstyrrende magnetisme

I dag bæres information i elektroniske komponenter hovedsageligt af elektrisk ladning. I spintronics udnyttes i stedet elektronernes spin, hvilket i princippet kan føre til hurtigere komponenter og lavere energiforbrug. Et af de helt store benspænd, som forskerne bag den aktuelle artikel er kommet væsentligt tættere på at adressere, har imidlertid været behovet for magnetiske materialer, som ikke samtidig forstyrrer deres omgivelser.

“Magnetiske materialer er svære at arbejde med, når man vil pakke mange funktioner tæt sammen. Men når et materiale næsten ikke udsender et magnetfelt, kan man i princippet placere komponenter meget tættere uden at de får uønsket indflydelse på hinanden,” siger Kasper Steen Pedersen.

“Det åbner for en helt anden grad af kontrol. For når magnetismen er indlejret i et molekylært materiale, så kan vi ved hjælp af kemien skrue på de magnetiske og elektroniske egenskaber.”

Det nye materiale er opbygget som et metallisk og organisk netværk, hvor metalliske centre forbindes af organiske molekyler. Den molekylære struktur gør det muligt at designe og justere materialets egenskaber kemisk; en tilgang, der adskiller sig fra de metallegeringer og oxider, som i dag dominerer magnetisk elektronik.

Mere specifikt er materialet bygget op af kromatomer, der bindes sammen af det organiske molekyle pyrazin, som er velegnet til at binde netop metalatomer sammen. I dette tilfælde er der derudover tale om et pyrazin-radikal, som har én uparret elektron, hvilket gør, at det bidrager med magnetisme i materialet.

Grundforskning med mange mulige anvendelser

Forsøgene viser, at den næsten fuldstændige magnetiske kompensation er stabil over et bredt temperaturområde og fortsætter langt over stuetemperatur. Det gør materialet særligt interessant, fordi næsten alle kendte beslægtede materialer kun udviser denne balance ved specifikke temperaturer. Det betyder, at det nye materiale potentielt kan anvendes i mange flere sammenhænge.

Forskerne understreger, at der er tale om grundforskning, og at materialets funktion endnu ikke er testet i konkrete komponenter eller med nogen specifik anvendelse for øje. Det teknologiske perspektiv i deres opdagelse er imidlertid tydeligt.

“Vi har ikke lavet en færdig teknologi, men vi har vist, at man kan opnå en kombination af egenskaber, som mange har ledt efter i årevis. Det gør materialet interessant som platform for fremtidig udvikling,” fortæller Kasper Steen Pedersen.

Næste skridt bliver således at undersøge, om materialet kan tunes kemisk mod andre egenskaber som for eksempel elektrisk ledning og om det kan fremstilles som tynde film, som kan integreres i elektroniske komponenter.