The effect of soft phase on magnetic properties and magnetization reversal process of Nd-Fe-B based multilayers

I magneti permanenti sono i lavoratori silenziosi della tecnologia moderna, presenti in tutto, dai motori che azionano le auto elettriche ai minuscoli altoparlanti dei nostri auricolari. Per decenni, i magneti più forti disponibili sono stati realizzati con una specifica combinazione di neodimio, ferro e boro. Questi materiali sono apprezzati perché mantengono un campo magnetico potente, ma gli scienziati si sono scontrati con un limite: non è facile renderli ancora più forti senza perdere altre qualità essenziali. Per superare questo limite, i ricercatori hanno esplorato una strategia diversa: costruire magneti utilizzando due materiali distinti stratificati insieme. Uno strato è un materiale magnetico "duro" che resiste alla perdita del proprio magnetismo, agendo da ancora. L'altro è un materiale magnetico "morbido" che è facile da magnetizzare ma anche facile da perdere il proprio magnetismo. La speranza è che, se questi due strati vengono posizionati abbastanza vicini tra loro, bloccheranno le loro direzioni magnetiche insieme, creando un unico materiale che sia incredibilmente forte e molto stabile.

Un team di ricercatori della Guizhou University of Commerce in Cina ha approfondito il modo in cui questi strati interagiscono, utilizzando potenti simulazioni al computer per modellare il comportamento di questi materiali a un livello microscopico. Invece di costruire fisicamente questi magneti, il che può essere difficile da controllare a scale così piccole, hanno creato un laboratorio digitale. Hanno simulato film sottili fatti di neodimio-ferro-boro come strato duro e hanno testato quattro diversi materiali morbidi: ferro, un composto specifico di ferro e azoto, una lega di ferro e cobalto, e un composto di ferro e boro. Impilando questi strati in diverse disposizioni — come uno strato morbido incastonato tra due strati duri, o uno strato duro incastonato tra due strati morbidi — sono stati in grado di osservare esattamente come si comportavano i campi magnetici al variare dello spessore degli strati morbidi.

Le simulazioni hanno rivelato che lo spessore dello strato morbido è un parametro critico che gli scienziati possono regolare per calibrare le prestazioni del magnete. Man mano che lo strato morbido diventa più spesso, il magnete diventa più bravo a mantenere un campo magnetico forte, ma diventa più debole nel resistere alle forze esterne che cercano di invertire il suo magnetismo. I ricercatori hanno scoperto che esiste un punto di equilibrio ideale in cui questi due effetti contrastanti si bilanciano perfettamente. Per la combinazione più comune che hanno testato, con il ferro come strato morbido, la prestazione ottimale si è verificata quando lo strato morbido era spesso circa 4 nanometri. A questo spessore specifico, il materiale ha raggiunto un prodotto di energia massimo di 84,54 MGOe, una misura di quanta energia magnetica può immagazzinare un magnete. Questo valore era superiore ad altre disposizioni testate, come un singolo strato morbido accanto a uno duro, o uno strato duro incastonato tra due strati morbidi.

Tuttavia, la scoperta più sorprendente è arrivata quando hanno sostituito il materiale morbido stesso. Quando hanno utilizzato un composto fatto di ferro e azoto, noto come Fe16N2, come strato morbido, i risultati sono stati ancora più drammatici. In questa configurazione, il magnete ha raggiunto un prodotto di energia massimo di 109,38 MGOe con uno spessore dello strato morbido di 4 nanometri. Questo valore è significativamente più alto di quello ottenuto con gli altri materiali morbidi. Le simulazioni hanno mostrato che questa prestazione superiore deriva dal modo unico in cui il composto di ferro e azoto interagisce con lo strato duro. I momenti magnetici, che sono le minuscole frecce interne che puntano nella direzione del magnetismo, si allineano molto fortemente attraverso il confine tra i due materiali. Questa forte connessione permette al magnete di immagazzinare più energia senza perdere la sua stabilità.

I ricercatori hanno anche esaminato da vicino come avviene l'inversione della magnetizzazione, ovvero cosa succede quando una forza esterna cerca di invertire i poli del magnete. Nel setup con ferro e azoto che ha ottenuto le prestazioni migliori, il processo di inversione avviene in modo controllato e graduale. Le frecce magnetiche ai bordi del materiale iniziano a inclinarsi per prime, e questa inclinazione si diffonde lentamente verso l'interno, come un'onda che si muove attraverso una folla. Questo processo è tenuto sotto controllo da un meccanismo chiamato "pinning" (ancoraggio), dove il confine tra lo strato duro e quello morbido agisce come un cancello, impedendo all'inversione di avvenire troppo velocemente o in modo caotico. Questo comportamento controllato è esattamente ciò di cui si ha bisogno per un magnete ad alte prestazioni. Lo studio suggerisce che, scegliendo attentamente il materiale morbido e il suo spessore, gli scienziati possono progettare magneti molto più potenti di quelli attualmente possibili, offrendo una chiara strada verso la prossima generazione di tecnologia magnetica.