Ирландские физики разработали и обучили модель, которая предсказывает температуру Кюри у ферромагнетика, отталкиваясь только от его химического состава. В 83 процентах модель ошибается менее чем на 100 кельвинов, что позволяет искать с ее помощью перспективные высокотемпературные ферромагнитные материалы.

Статья опубликована в Physical Review Materials, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В настоящее время физикам известно более 2500 ферромагнетиков, что автоматически делает их самым распространенным классом магнитных материалов. На микроскопическом уровне ферромагнетик разбивается на домены — грубо говоря, на мелкие неделимые магнитики. Если температура ферромагнетика сравнительно невелика, все магнитики смотрят в одну и ту же сторону, их поле складывается и усиливается, и в результате намагниченность ферромагнетика получается большой — достаточно большой, чтобы ферромагнетики случайно обнаружили еще две с половиной тысячи лет назад.

Однако при повышении температуры магнитики начинают «дрожать», их поле складывается уже не так эффективно, и намагниченность материала начинает падать. Если температура превысит определенное критическое значение, «дрожание» станет слишком сильным, и ферромагнетик размагнитится. Эту критическую температуру называют температурой Кюри.

Зависимость числа известных ферромагнетиков от их температуры Кюрию. Во врезе — относительная распространенность химических элементов в этих ферромагнетиках / James Nelson & Stefano Sanvito et al. / Physical Review Materals, 2019

К сожалению, большинство ферромагнетиков имеют слишком низкую температуру Кюри, чтобы их можно было применять на практике. Более половины известных ферромагнитных материалов теряют свои свойства при температуре ниже комнатной, до «практических» температур более трехсот градусов Цельсия доживает лишь малая часть от богатого класса ферромагнетиков, а отметку в тысячу градусов Цельсия преодолевает только чистый кобальт.

Учитывая этот факт, физики продолжают искать новые высокотемпературные магниты. Интересно, что простор для поисков довольно велик: за исключением благородных газов и радиоактивных элементов, практически каждый ион из таблицы Менделеева может образовать ферромагнетик, если поместить его в подходящую кристаллическую решетку.

Из-за этого богатства большинство поисков новых магнитов ведется теоретически, с помощью численного моделирования. К сожалению, зависимости, которые связывают температуру Кюри материала с его строением и химическим составом, далеко не очевидны. Бо́льшая часть таких зависимостей носит чисто эмпирический характер.

Например, температуры Кюри сплавов типа Co₂XY можно описать с помощью кривой Слетера-Полинга, а температуры Кюри аналогичных сплавов с марганцем следуют кривым Кастелица-Каномата. Это связано с тем, что стандартные методы, включая достаточно мощную теорию функционала плотности, не могут извлечь информацию о температуре Кюри из строения материала, хотя и могут рассчитать другие его свойства. Поэтому физикам, ищущим высокотемпературные магниты, до сих пор приходится руководствоваться эмпирическими правилами, которые могут упускать перспективные регионы. В результате большая часть усилий тратится на исследование материалов с низким практическим потенциалом.

Физики Джеймс Нельсон (James Nelson) и Стефано Санвито (Stefano Sanvito) частично решили эту проблему с помощью машинного обучения. Ученые разработали и натренировали модель, которая предсказывает температуру Кюри материала, отталкиваясь от его химической формулы.