Magnetisk materialeanalyse har aldrig været så forståelig

Professor Andreas Michels, fysiker ved universitetet i Luxembourg, udforsker den komplekse verden af ​​magnetiske materialer ved at skyde neutroner på dem. Han har nu offentliggjort sine indsigter i en 380-siders monografi med titlen "Magnetic Small-Angle Neutron Scattering − A Probe for Mesoscale Magnetism Analysis." Bogen er udgivet af Oxford University Press.

Da det er resultatet af mere end to årtiers eksperimentelle, teoretisk, og simuleringsforskning, Prof. Andreas Michels har nu skrevet den første bog, der udelukkende er dedikeret til den specifikke neutronteknik med magnetisk lillevinklet neutronspredning (SANS). "Når du vil vide, hvor magnetiske atomer er placeret i et materiale, og hvordan de bevæger sig, du skal bruge neutronspredning, " siger prof. Andreas Michels. Neutronen er en elementær partikel, som bærer et magnetisk moment eller spin. Som sådan, man kan tænke på neutronen som en lille kompasnål, hvilken, når de afbøjes eller spredes af en magnet, giver information om strukturen og dynamikken af ​​de atomer, der udgør materialet. Mængden af ​​interesse i et neutronspredningseksperiment, det såkaldte spredningstværsnit, afhænger af fordelingen af ​​spins af det undersøgte materiale, og dets analyse giver vigtige oplysninger om de magnetiske egenskaber.

Prof. Michels fortsætter "Den magnetiske SANS-metode er uundværlig i studiet af magnetiske materialer; man kan bruge den til at undersøge alt fra permanente magneter, magnetiske stål, komplekse oxider og legeringer, ferrovæsker, magnetiske nanopartikler, til superledere og de nyligt opdagede skyrmionkrystaller." Årsagen til dens betydning i kondenseret stof og materialefysik ligger i det faktum, at magnetisk SANS giver, helt unikt, adgang til den såkaldte mesoskopiske længdeskala, dvs. skalaen mellem et par nanometer og et par hundrede nanometer - nogenlunde mellem størrelsen af ​​en streng af menneskelig DNA til omkring en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår. Dette er et meget vigtigt størrelsesregime, hvor mange makroskopiske materialeegenskaber realiseres. SANS-metoden er især nyttig for materialeforskere til at hjælpe dem med at forstå de magneter, de producerer i deres laboratorier.

"For eksempel, man kan bruge den magnetiske SANS-teknik til at afgøre, om et bestemt materiale er sammensat af homogene eller inhomogene magnetiske domæner; disse er områder inde i magneten, hvor spins peger i en bestemt retning, " forklarer prof. Michels. Dette spørgsmål er relevant for at forbedre de karakteristiske parametre såsom koercitiviteten eller det maksimale energiprodukt af sjældne jordarters frie permanente magneter, en klasse af magnetiske energimaterialer, som i øjeblikket er i fokus for mange forskere verden over. Et andet eksempel vedrører stålets mekaniske egenskaber, som nok er et af de ældste og vigtigste funktionelle magnetiske materialer. Den mekaniske hårdhed af reaktortrykbeholderstål, bruges i atomkraftværker, er afgørende bestemt af tilstedeværelsen af ​​hulrum (porer). Nedenstående figur viser den numerisk beregnede spinstruktur omkring en sfærisk nanopore; bogens formalisme gør det muligt at opdage deres signatur i neutronspredningstværsnittet.

Bogen er opstået ved at "gifte" to relativt gamle felter inden for fysik - teorien om mikromagnetik på den ene side og neutronspredningsformalisme på den anden side. Mikromagnetik bruges almindeligvis til at analysere magnetiseringsfordelingen eller hysteresesløjfen af ​​magnetiske materialer, mens neutronspredning bruges til at opnå mikroskopisk information om materialers struktur og dynamik. "Før, mikromagnetik og neutronspredning var to adskilte samfund, der ikke talte meget med hinanden, " tilføjer Michels. Med udgivelsen af ​​bogen, og gennem tilrettelæggelsen af ​​internationale workshops som den på European Spallation Source i Lund, det er håbet, at den kombinerede mikromagnetik &SANS-metodologi bliver mere udbredt, så forskning i magnetiske materialer kan gøre yderligere fremskridt.

Ser frem til, hvad er udfordringerne for de kommende år? Klart, der skal forskes meget i såkaldte komplekse systemer, som er materialer, der udviser et væld af interaktioner på forskellige længdeskalaer; eksempler er ferrofluider, magnetiske stål, spin-briller eller amorfe magneter. Det er dette delområde, hvor der forventes store fremskridt i de kommende år; hovedsageligt via den øgede brug af numeriske mikromagnetiske simuleringer i stor skala, hvilket er en meget lovende tilgang til forståelsen af ​​det magnetiske SANS fra systemer, der udviser spin-inhomogenitet i nanoskala.

Bogens målgruppe består af kandidatstuderende samt postdocs og seniorforskere inden for magnetisme og magnetiske materialer. Den formalisme og de begreber, der er lagt i bogen, vil forhåbentlig gøre dem i stand til at analysere og fortolke deres SANS-eksperimenter." forklarer professor Andreas Michels. "Det tog mig omkring tre år at skrive bogen, og jeg er nu mere end glad for at se dens udgivelse, " siger Michels. Monografien er tilgængelig som en hardcover udgave og som e-bog, og kan bestilles i boghandlere over hele verden.