Neutron study of magnetic correlations in rare-earth-free Mn-Bi magnets
تستخدم هذه الدراسة تشتت النيوترونات صغير الزاوية غير المستقطبة لتوصيف الارتباطات المغناطيسية في مغناطيسات المنغنيز-البزموت الدائمة الخالية من العناصر الأرضية النادرة، كاشفةً أن حالتها المتبقية تتميز بتقلبات مغنطة مستعرضة طويلة الطول الموجي بنصف قطر دوران يتراوح بين 220 و240 نانومتر ناتجة عن هياكل ذات تباين طفيف في الشكل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد المغناطيسات الدائمة هي خيول العمل الصامتة في التكنولوجيا الحديثة، فهي تشغل كل شيء بدءاً من المحركات في السيارات الكهربائية وصولاً إلى مكبرات الصوت في هواتفنا. ولعقود من الزمن، اعتمدت أقوى المغناطيسات على عناصر الأتربة النادرة مثل النيوديميوم، وهي عناصر باهظة الثمن وصعبة المصدر. وقد بحث العلماء عن بديل أرخص وأكثر استدامة يمكنه أيضاً تقديم أداء جيد، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة الموجودة داخل المحركات الكهربائية. وأحد المرشحين الواعدين هو خليط من المنجنيز والبزموت. وبينما لا تزال هذه المغناطيسات ليست بقوة أبطال الأتربة النادرة بعد، إلا أنها تقدم ميزة فريدة: قوتها المغناطيسية تتحسن فعلياً كلما زادت حرارتها، وهي سمة تجعلها مثالية للتطبيقات الشاقة. ومع ذلك، لكي تصبح هذه المغناطيسات أفضل، يحتاج الباحثون إلى فهم ما يحدث بداخلها على مقي scale أصغر مما يمكن رؤيته بالمجاهر العادية؛ فهم بحاجة لمعرفة كيف تترتب القوى المغناطيسية داخل الحبيبات الدقيقة للمادة وكيف تؤثر العيوب في البنية البلورية على المغناطيسية الإجمالية.
ولحل هذا اللغز، لجأ فريق من الباحثين إلى تقنية تسمى "تشتت النيوترونات". تخيل تسليط شعاع من النيوترونات، وهي جسيمات صغيرة توجد في مراكز الذرات، عبر عينة من المغناطيس. وبينما تمر هذه النيوترونات، فإنها ترتد عن المجالات المغناطيسية داخل المادة. ومن خلال قياس كيفية تشتت النيوترونات بدقة، يمكن للعلماء رسم خريطة للمشهد المغناطيسي غير المرئي داخل المعدن الصلب. في هذه الدراسة، فحص الفريق ثلاثة إصدارات مختلفة من مغناطيسات المنجنيز والبزموت، كل منها بنسبة مختلفة قليلاً من المعدنين. قاموا أولاً بتمغنط العينات بمجال قوي ثم خفضوا المجال إلى الصفر، تاركين المغناطيسات في حالة "المغناطيسية المتبقية" (remanent state)، حيث لا تزال تحتفظ بمغناطيسيتها دون دفع خارجي. ومن خلال مقارنة أنماط تشتت النيوترونات في هذه الحالة المتبقية مقابل الأنماط المأخوذة عندما يكون المغناطيس في حالة التشبع الكامل، تمكنوا من عزل الإشارة المحددة القادمة من التقلبات المغناطيسية، وتصفية الضوضاء الخلفية الناتجة عن الذرات نفسها.
وكشفت النتائج أن السلوك المغناطيسي في هذه المواد تهيمن عليه تقلبات ذات طول موجي طويل، وهي في الأساس تمايلات لطيفة واسعة النطاق في اتجاه الاصطفاف المغناطيسي. هذه التمايلات ليست عشوائية؛ بل هي مرتبطة بالعيوب الفيزيائية في البنية البلورية، مثل المسام الصغيرة أو الحدود بين الحبيبات. ووجد الباحثون أن هذه الاضطرابات المغناطيسية تمتد لمسافة كبيرة بشكل مفاجئ، تتراوح بين حوالي 220 إلى 240 نانومتر في الحالة المتبقية. ولوضع ذلك في المنظور، فإن هذه المناطق المغناطيسية هي معالم متميزة وقابلة للقياس تمتد عبر جزء كبير من العالم المجهري. وهذا الحجم أمر بالغ الأهمية لأنه يمثل المقياس الذي يمكن من خلاله لخلل في البلورة أن يعطل النظام المغناطيسي، وهو عامل يحدد مباشرة مدى صعوبة إزالة المغناطيسية من المادة.
وبعيداً عن مجرد قياس حجم هذه المناطق، كشفت الدراسة عن اختلاف دقيق ولكن مهم بين تركيبات السبائك. بالنسبة لعنتين من العينات، بدا الهيكل المغناطيسي كروياً أو كروي الشكل تقريباً. ومع ذلك، بالنسبة للعينة ذات المحتوى الأعلى من البزموت، أشارت البيانات إلى شكل مختلف. فقد اقترح التحليل أن التشتت المغناطيسي في هذه السبيكة تحديداً نشأ من هياكل مستطيلة تشبه القضبان بدلاً من الكتل المستديرة. كان هذا الاكتشاف غير متوقع لأن صور المجهر الإلكتروني القياسية لعينات مماثلة لم تكشف سابقاً عن وجود جزيئات متباينة الشكل. ومع ذلك، وفرت بيانات النيوترونات نافذة فريدة على الترتيب المغناطيسي نفسه، مما يشير إلى أن زيادة محتوى البزموت قد تؤدي إلى تمدد النطاقات المغناطيسية.
هذا التمييز مهم لأن شكل هذه المناطق المغناطيسية يؤثر على الأداء العام للمغناطيس. فإذا كانت الهياكل المغناطيسية مستطيلة، يمكنها توفير نوع من "تباين الشكل" (shape anisotropy)، والذي يعمل مثل قفل طبيعي يساعد المغناطيس على مقاومة فقدان قوته. ويقترح الباحثون أنه من خلال ضبط تركيب السبيكة لتشجيع هذه الهياكل المستطيلة، قد يكون من الممكن إنشاء مغناطيسات من المنجنيز والبزموت تكون أكثر صلابة ومقاومة لإزالة المغناطيسية. وبينما لم تحل الدراسة كل الأسرار — مثل سبب كون الأنماط الرياضية للتشتت مختلفة قليلاً عما يُرى في أنواع أخرى من المغناطيسات — فقد قدمت طريقاً واضحاً وجديداً لربط العيوب المغناطيسية المجهرية بالخصائص الماكروسكوبية (الجهرية) للمغناطيس. ومن خلال استخدام النيوترونات للنظر في الهندسة المغناطيسية الخفية، قدم الفريق خارطة طريق للمهندسين لضبط هذه المغناطيسات الخالية من العناصر الأرضية النادرة، مما قد يسد الفجوة بين المغناطيسات الرخيصة ذات الأداء المنخفض والمغناطيسات الغالية ذات الأداء العالي التي تقود عالمنا المعاصر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.