Основным компонентом современных магнитов, который обеспечивает материалу соответствующие свойства, является железо. Его важными преимуществами для промышленного использования являются дешевизна и изобилие.

Но в большинстве случаев магнит должен содержать редкоземельные элементы, которые делают его «постоянным», то есть способным сохранять определённое направление магнитного поля (явление анизотропии). А эти важные компоненты дорого стоят и, как видно из названия, редки в природе.

Поэтому одной из задач, которую поставили перед собой исследователи из лаборатории Эймса при Министерстве энергетики США (Department of Energy's Ames Laboratory), является максимальное сокращение в составе магнитов редкоземельных элементов и поиск новых соединений, обладающих магнитными свойствами, на основе железа и других легкодоступных веществ.

Рис. 1. Структура кристалла представляет собой слои нитрида лития Li2N, разделённые атомами лития, частично замещёнными на атомы железа. Единичная ячейка гексагональной решётки выделена красными линиями (иллюстрация A. Jesche et al).

Группа Пола Кенфилда (Paul Canfield) всемирно известна своими достижениями в проектировании, открытии, выращивании и характеристике новых перспективных материалов. На этот раз специалистам удалось вырастить монокристалл железо-замещённого нитрида лития состава Li2(Li0,90Fe0,10)N по новому методу из литий-азотного раствора.

«Использование азота при выращивании из раствора не было хорошо изучено, поскольку мы привыкли думать о нём, как о газе, — рассказывает один из разработчиков метода Антон Джесче (Anton Jesche) в пресс-релизе лаборатории. — Однако мы обнаружили, что литий — самый лёгкий из твёрдых элементов, способен удержать азот в растворе».

Учёные смешали порошок лития и нитрида лития и добились желаемого. При последующем добавлении железа, оно растворилось. Это удивительно само по себе, поскольку обычно литий и железо не смешиваются и в данном случае, именно присутствие азота стало решающим.

Полученный монокристалл, в котором атомы железа расположены в решётке между атомами азота, при температуре минус 271°С проявлял магнитные свойства, характерные для магнитов с включением редкоземельных элементов, то есть создавал направленное магнитное поле. Ещё одним доказательством экзотического состояния железа стал эффект квантового туннелирования при относительно высокой температуре минус 263°С.

«Прорыв состоит в том, что мы увидели магнитную анизотропию, обычно характерную для редкоземельных элементов, у простого железа, — заключает Кенфилд. — Но это не промышленный прорыв, поскольку мы наблюдали этот эффект только при криогенных температурах. Это настоящее достижение науки, которое ещё укажет путь к будущим техническим прорывам».

Учёные надеются, что

их достижения, описанные в статье журнала Nature Communications, откроют новые просторы для создания высокопрочных «постоянных» магнитов, которые используются в ветряных турбинах, автомобильных электродвигателях, а также в системах хранения информации в квантовых компьютерах.