Nieuwe ‘wervelende’ magnetische toestand ontdekt in een element uit het periodiek systeem

De sterkste magneten bestaan uit een mix van de materialen neodymium en ijzer. Maar al meer dan een halve eeuw breken wetenschappers zich het hoofd over het feit dat neodymium zich niet gedraagt als een magneet zoals we die kennen. Natuurkundigen aan de Radboud Universiteit en Universiteit van Uppsala hebben nu aangetoond dat neodymium zich blijkbaar gedraagt als een zogenaamd ‘zelf-geïnduceerd spin-glas’, wat betekent dat het bestaat uit een zee van wervelende magneetjes die op verschillende snelheden draaien en steeds door de tijd heen veranderen. De resultaten worden op 29 mei gepubliceerd in Science.

Deze nieuwe soort van magnetisch gedrag zorgt voor meer fundamenteel begrip van het periodiek systeem, en kan mogelijk ook de sleutel zijn tot nieuwe materialen voor kunstmatige intelligentie.

‘Als je een pot met honing bekijkt, denk je misschien dat de gebieden die eerst helder waren en nu melkachtig wit niet meer goed zijn. Maar eigenlijk is de honing gaan kristalliseren. Zo kun je het ‘verouderingsproces’ van neodymium ook opvatten.’ Alexander Khajetoorians, hoogleraar Scanning probe microscopy, heeft samen met collega’s Mikhail Katsnelson en Daniel Wegner ontdekt dat het materiaal neodymium zich op een complexe magnetische manier gedraagt. Het is voor het eerst dat een element uit het periodiek systeem zo wordt gezien.

Wervelende magneten en glas

Magneten bestaan uit een noord- en zuidpool. Als je dieper inzoomt op een gewone koelkastmagneet, dan zie je kleine magneetjes op atoomschaal, zogenaamde ‘spins’, die allemaal in dezelfde richting staan en daarmee de noord- en zuidpool bepalen. Maar er zijn ook bepaalde materialen die een ‘spin-glas’ kunnen zijn, waarbij de spins op een willekeurige manier voorkomen en in allerlei verschillende richtingen wijzen. De naam ‘spin-glas’ is afgeleid van de amorfe en veranderlijke structuur van atomen in een stuk glas.

Het is bekend dat spin-glas gedrag soms voorkomt in legeringen – dit zijn combinaties van metalen met één of meer andere elementen met een amorfe structuur – maar nooit in pure elementen uit het periodiek systeem. Verrassend genoeg hebben de Radboudonderzoekers ontdekt dat de atoomspins in het element neodymium wervelen als een helix, maar ook constant dit patroon veranderen. Deze nieuwe soort toestand van een materiaal hebben de onderzoekers ‘zelf-geïnduceerd spin-glas’ genoemd.

Nieuwe ‘wervelende’ magnetische toestand ontdekt in een element uit het periodiek systeem

Figuur: In tegenstelling tot gewone magneten, hebben spin-glas materialen op willekeurige plaatsen atoomspins die verschillende richtingen op wijzen. Zelf-geïnduceerde spin-glas materialen bestaan uit wervelende magneetjes die op verschillende snelheden draaien en steeds door de tijd heen veranderen. Credit: Daniel Wegner

De magnetische structuur zien

‘In Nijmegen zijn we specialisten op het gebied van scanning tunnelling microscopie (STM). Met deze techniek kunnen we de structuur van atomen zien en daarbij ook de noord- en zuidpool van de atomen bepalen’, legt Daniel Wegner uit. ‘Hiermee waren we in staat om het gedrag van neodymium te ontdekken, omdat we enorm kleine veranderingen in de magnetische structuur konden zien. Dat is zeker niet gemakkelijk om te doen.’

Een materiaal dat zich als neuronen gedraagt

Dit complexe gedrag zou nu ook gevonden kunnen worden in ontelbare nieuwe materialen, waaronder in andere elementen uit het periodiek systeem. Khajetoorians: ‘Deze vinding zorgt voor meer fundamentele basiskennis over de eigenschappen van materialen. Het biedt ook een experimenteel terrein waarmee we nieuwe theorieën kunnen vormen, en waarmee we natuurkunde kunnen koppelen aan andere vakgebieden zoals theoretische hersenwetenschap.’

‘Met het feit dat het steeds op een complexe manier verandert, zou neodymium een goed materiaal kunnen zijn om gedrag mee na te bootsen, zoals dat gedaan wordt bij kunstmatige intelligentie’, vertelt Khajetoorians. ‘Alle complexe patronen die in dit materiaal kunnen worden opgeslagen, kunnen worden gekoppeld aan beeldherkenning.’

Er is steeds meer vraag naar materialen die zelf taken kunnen uitvoeren zoals de hersenen dat kunnen, door de snelle ontwikkeling van AI en de grote energievoetafdruk die het achter laat. ‘Je zou nooit met simpele magneten een computer kunnen bouwen die geïnspireerd is op het brein. Maar materialen met het complex gedrag zoals neodymium zouden wel goede kandidaten kunnen zijn hiervoor’, zegt Khajetoorians.

Publicatie

‘Self-induced spin glass state in elemental and crystalline neodymium’, Science.

DOI: https://dx.doi.org/10.1126/science.aay6757

Meer weten? Neem contact op met

Aan deze website wordt nog gewerkt. Meer informatie: 'een nieuwe website'.