Valdomas magneto veikimas

Daug naujų medžiagų sukuriama sudedant atskirus elementus, keičiant temperatūrą ar kitas sąlygas. Norint dar labiau patobulinti kelių metalų junginį ir suteikti jam pageidaujamas savybes reikia eiti giliau – tvarkyti pačius atomus. Šis procesas panašus į bioinžinierių darbą, kai pridedami ar išimami genai ir tokiu būdu kuriami sintetiniai orechos-LX3MLPlus.iso.partganizmai. Tokia veikla būdinga ir mokslininkų grupei iš JAV (Department of Energy's Ames Laboratory). Jie pakeitė svarbiausius atomus, lemiančius feromagnetines savybes gadolinio ir germanio junginyje, luteciu ir lantanu. Medžiagų kūrimas pagal norimą brėžinį nėra lengva užduotis, ypač kai kalbama apie sudėtingą gadolinio ir germanio Gd₅Ge₄ junginį. Situacija yra dar sudėtingesnė, nes junginio struktūra yra labai simetrinė. Simetrinė struktūra būdinga kelių metalų junginiams. Būtų nelengva nustatyti, kurie atomai turi būti pakeisti siekiant gauti tam tikras pageidaujamas naujos medžiagos savybes, jei nebūtų žinomos tam tikros taisyklės, padedančios atrankos procese.

Gd₅Ge₄ junginio vienodumas atsiranda dėl to, kad atomams junginyje yra būdinga labai simetrinė kristalinė struktūra, vadinama gardele. Kuo sudėtingesnė medžiaga, tuo sudėtingesnė jos gardelė. Kiekvienas gardelę sudarantis elementas veikia jos savybes. Dar daugiau, atskirais atvejais tam tikrų atomų padėtys gardelėje gali įtakoti tokias medžiagos savybes kaip lydymosi temperatūra, mechaninis tvirtumas ar nagrinėtu atveju – feromagnetines savybes.

„Atskirų atomų individualumas paprastai nepasireiškia tarp metališkųjų kristalų, – pasakė grupės vadovas Vitalijus Pečarskis (Vitalij Pecharsky). – Bet atomai gali tarpusavyje sąveikauti vienas su kitu ir veikti magnetinį susitvarkymą ir superlaidumą“. Nustatę šiuos tarpusavio ryšius, mokslininkai gali apibrėžti, kas atsitiks pakeitus vieną ar kelis atomus kito elemento atomais.

„Nustatėme, kad tam tikroje gardelės vietoje esantis Gd atomas yra žymiai aktyvesnis nei kitose vietose esantys atomai, kai kalba eina apie feromagnetinę tvarką gadolinio germanido kristale“, – pasakė Pečarskis.

Grupė praleido metus tyrinėdama gadolinio junginius, kadangi jie naudojami aplinką tausojančiose technologijose. Žinoma, tai nebuvo vienintelė priežastis, kodėl buvo pasirinkta Gd₅Ge₄ medžiaga.

„Šis metalas pasižymi labai įdomiomis ir potencialiai naudingomis savybėmis, – rašo mokslininkai savo straipsnyje, atspausdintame Physical Review Letters žurnale. – Ypatingai didelis jautrumas sąlyginai silpnam išoriniam poveikiui daro Gd₅Ge₄ medžiagą ir į ją panašius junginius nepaprasta veiklos sfera kondensuotų medžiagų moksle“.

Būdamas ypatingai jautrus, Gd₅Ge₄ yra dar ir idealus junginys darbui, nes bet kokie magnetinių savybių pokyčiai, susiję su struktūros kitimu, yra lengvai išmatuojami. Pečarskis su grupe dar 2008 metais atrado, kad į junginį įterpus silicį, įvyko magnetinės struktūros pokytis, kuris buvo gautas be išorinio magnetinio lauko. Vien tik cheminis slėgis galėjo padidinti atrastos medžiagos feromagnetines savybes. Ankstesnis grupės patyrimas sudarė sąlygas eksperimentams su kitais junginio priedais. Siekdami tiksliai nustatyti, kurie atomai gardelėje labiausiai tiktų manipuliacijoms, mokslininkai pasinaudojo tankio funkcionalo teorija. Tankio funkcionalo teorija yra vienas pagrindinių įrankių nagrinėjant kietų kūnų elektroninę struktūrą. Ji buvo išvystyta Nobelio premijos laureato Valterio Kono (Walter Kohn).

Kono teorija leido tyrėjų grupei sumodeliuoti, kokie efektai atsiranda, kai nedidelis Gd atomų skaičius Gd₅Ge₄ medžiagoje pakeičiamas luteciu ir lantanu. Turėdama teorinius rezultatus grupė sekančiame žingsnyje bandė sukurti tikrą junginį savo laboratorijoje tam, kad patikrintų kompiuterinio skaičiavimo duomenų teisingumą. Iš tikrųjų teoriniai rezultatai buvo patvirtinti po sudėtingo gamybos proceso. Mokslininkai nustatė, kad pakeitus kelis gadolinio atomus luteciu, visiškai dingo junginio feromagnetinės savybės. Tuo tarpu įdėjus tokį pat skaičių lantano atomų vietoje gadolinio, nebuvo ryškaus pokyčio. Mokslininkai darė prielaidą, kad didesnis lantano atomų skaičius turėtų ryškesnį efektą junginio feromagnetizmui.

Svarbu, kad šiame eksperimente išmoktos pamokos gali būti labai reikšmingos ieškant naujų egzotinių medžiagų, kurios galėtų būti panaudotos ateities aukštų technologijų produktuose. „Žinojimas kaip nustatyti svarbiausių atomų pozicijas gali būti prilygintas atskirų genų rolės nustatymui organizmų DNR struktūrose, – pasakė Pečarskis. – Tokios žinios gali leisti sukurti visiškai naujas medžiagas pagal pageidaujamą brėžinį“.