Forskere får magnetisk nanopulver til 6G-teknologi

Materialeforskere har udviklet en hurtig metode til fremstilling af epsilon jernoxid og demonstreret dens løfte for næste generations kommunikationsenheder. Dens enestående magnetiske egenskaber gør det til et af de mest eftertragtede materialer, såsom til den kommende 6G-generation af kommunikationsenheder og til holdbar magnetisk optagelse. Værket blev udgivet i Journal of Materials Chemistry C , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry.

Jernoxid (III) er en af ​​de mest udbredte oxider på Jorden. Det findes for det meste som mineralet hæmatit (eller alfajernoxid, a-Fe ₂ O ₃ ). En anden stabil og almindelig modifikation er maghemite (eller gammamodifikation, y-Fe ₂ O ₃ ). Førstnævnte er meget brugt i industrien som et rødt pigment, og sidstnævnte som et magnetisk optagemedie. De to modifikationer adskiller sig ikke kun i krystallinsk struktur (alfa-jernoxid har hexagonal syngoni og gamma-jernoxid har kubisk syngony), men også i magnetiske egenskaber.

Ud over disse former for jernoxid (III), der er mere eksotiske modifikationer såsom epsilon-, beta-, zeta-, og endda glasagtig. Den mest attraktive fase er epsilon jernoxid, e-Fe ₂ O ₃ . Denne modifikation har en ekstrem høj tvangskraft (materialets evne til at modstå et eksternt magnetfelt). Styrken når 20 kOe ved stuetemperatur, hvilket er sammenligneligt med parametrene for magneter baseret på dyre sjældne jordarters elementer. Desuden, materialet absorberer elektromagnetisk stråling i sub-terahertz-frekvensområdet (100-300 GHz) gennem virkningen af ​​naturlig ferromagnetisk resonans. Frekvensen af ​​en sådan resonans er et af kriterierne for brugen af ​​materialer i trådløse kommunikationsenheder - 4G-standarden bruger megahertz og 5G bruger snesevis af gigahertz. Der er planer om at bruge sub-terahertz-området som arbejdsområde i sjette generations (6G) trådløs teknologi, som forberedes til aktiv introduktion i vores liv fra begyndelsen af ​​2030'erne.

Det resulterende materiale er velegnet til fremstilling af konverteringsenheder eller absorberkredsløb ved disse frekvenser. For eksempel, ved at anvende sammensat ε-Fe ₂ O ₃ nanopowders vil det være muligt at lave maling, der absorberer elektromagnetiske bølger og dermed skærmer rum mod fremmede signaler, og beskytte signaler mod aflytning udefra. ε-Fe ₂ O ₃ selv kan også bruges i 6G-modtagelsesenheder.

Epsilon jernoxid er en yderst sjælden og svær form for jernoxid at opnå. I dag, det produceres i meget små mængder, med selve processen tager op til en måned. Det her, selvfølgelig, udelukker dens udbredte anvendelse. Forfatterne af undersøgelsen udviklede en metode til accelereret syntese af epsilon jernoxid, der er i stand til at reducere syntesetiden til en dag (dvs. at udføre en fuld cyklus på mere end 30 gange hurtigere!) og øge mængden af ​​det resulterende produkt. Teknikken er enkel at gengive, billig og kan nemt implementeres i industrien, og de materialer, der kræves til syntesen - jern og silicium - er blandt de mest udbredte grundstoffer på Jorden.

"Selvom epsilon-jernoxidfasen blev opnået i ren form for relativt længe siden, i 2004, det har stadig ikke fundet industriel anvendelse på grund af kompleksiteten af ​​dets syntese, for eksempel som medium til magnetisk optagelse. Vi har formået at forenkle teknologien betydeligt, " siger Evgeny Gorbatjov, en ph.d. studerende ved Institut for Materialevidenskab ved Moscow State University og værkets første forfatter.

Nøglen til succesfuld anvendelse af materialer med rekordstore egenskaber er forskning i deres grundlæggende fysiske egenskaber. Uden dybdegående undersøgelse, materialet kan være ufortjent glemt i mange år, som det er sket mere end én gang i videnskabens historie. Det var tandem af materialeforskere ved Moscow State University, hvem syntetiserede forbindelsen, og fysikere ved MIPT, som studerede det i detaljer, hvilket gjorde udviklingen til en succes.

"Materialer med så høje ferromagnetiske resonansfrekvenser har et enormt potentiale for praktiske anvendelser. I dag, terahertz-teknologien blomstrer:det er tingenes internet, det er ultrahurtig kommunikation, det er mere snævert fokuserede videnskabelige anordninger, og det er næste generation af medicinsk teknologi. Mens 5G-standarden, som var meget populær sidste år, opererer ved frekvenser i snesevis af gigahertz, vores materialer åbner døren til væsentligt højere frekvenser (hundredevis af gigahertz), hvilket betyder, at vi allerede har at gøre med 6G-standarder og højere. Nu er det op til ingeniører, vi deler gerne informationen med dem og ser frem til at kunne holde en 6G-telefon i hænderne, " siger Dr. Liudmila Alyabyeva, Ph.D., seniorforsker ved MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy, hvor terahertz-forskningen blev udført.