I en ny banbrytande studie, forskare och ingenjörer vid University of Minnesota har elektriskt omvandlat det rikliga och billiga icke-magnetiska materialet järnsulfid, även känd som "fool's gold" eller pyrit, till ett magnetiskt material.

Detta är första gången forskare någonsin elektriskt omvandlat ett helt omagnetiskt material till ett magnetiskt, och det kan vara det första steget i att skapa värdefulla nya magnetiska material för mer energieffektiva datorminnen.

Forskningen är publicerad i Vetenskapens framsteg , en peer-reviewed vetenskaplig tidskrift publicerad av American Association for the Advancement of Science (AAAS).

"De flesta som är kunniga inom magnetism skulle förmodligen säga att det var omöjligt att elektriskt omvandla ett icke-magnetiskt material till ett magnetiskt material. När vi tittade lite djupare, dock, vi såg en potentiell väg, och fick det att hända, sa Chris Leighton, den ledande forskaren på studien och en University of Minnesota Distinguished McKnight University Professor vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap.

Leighton och hans kollegor, inklusive Eray Aydil vid New York University och Laura Gagliardi (kemi) vid University of Minnesota, har studerat järnsulfid, eller "dårens guld, " i mer än ett decennium för möjlig användning i solceller. Svavel i synnerhet är en mycket riklig och billig biprodukt av petroleumproduktion. Tyvärr, forskare och ingenjörer har inte hittat ett sätt att göra materialet tillräckligt effektivt för att realisera lågkostnad, jordnära solceller.

"Vi gick verkligen tillbaka till järnsulfidmaterialet för att försöka lista ut de grundläggande vägspärrarna för billigt, giftfria solceller, " sa Leighton. "Under tiden, min grupp arbetade också inom det framväxande området för magnetoionik där vi försöker använda elektriska spänningar för att styra magnetiska egenskaper hos material för potentiella applikationer i magnetiska datalagringsenheter. Vid något tillfälle insåg vi att vi borde kombinera dessa två forskningsriktningar, och det lönade sig."

Leighton sa att deras mål var att manipulera de magnetiska egenskaperna hos material med enbart en spänning, med mycket lite elektrisk ström, vilket är viktigt för att göra magnetiska enheter mer energieffektiva. Framsteg hittills hade inkluderat att slå på och stänga av ferromagnetism, den mest tekniskt viktiga formen av magnetism, i andra typer av magnetiska material. Järnsulfid, dock, erbjöd möjligheten att potentiellt elektriskt inducera ferromagnetism i ett helt icke-magnetiskt material.

I studien, forskarna använde en teknik som kallades elektrolytgrind. De tog det icke-magnetiska järnsulfidmaterialet och lade det i en enhet i kontakt med en jonisk lösning, eller elektrolyt, jämförbar med Gatorade. De applicerade sedan så lite som 1 volt (mindre spänning än ett hushållsbatteri), flyttade positivt laddade molekyler till gränsytan mellan elektrolyten och järnsulfiden, och inducerad magnetism. Viktigt, de kunde stänga av spänningen och återföra materialet till dess icke-magnetiska tillstånd, vilket innebär att de reversibelt kan slå på och av magnetismen.

"Vi var ganska förvånade över att det fungerade, " sa Leighton. "Genom att applicera spänningen, vi häller i huvudsak elektroner i materialet. Det visar sig att om du får tillräckligt höga koncentrationer av elektroner, materialet vill spontant bli ferromagnetiskt, som vi kunde förstå med teori. Det här har massor av potential. Efter att ha gjort det med järnsulfid, vi antar att vi kan göra det med andra material också."

Leighton said they would never have imagined trying this approach if it wasn't for his team's research studying iron sulfide for solar cells and the work on magnetoionics.

"It was the perfect convergence of two areas of research, " han sa.

Leighton said the next step is to continue research to replicate the process at higher temperatures, which the team's preliminary data suggest should certainly be possible. They also hope to try the process with other materials and to demonstrate potential for real devices.