De starkaste permanentmagneterna idag innehåller en blandning av elementen neodym och järn. Dock, neodym i sig beter sig inte som någon känd magnet, förvirrande forskare i mer än ett halvt sekel. Fysiker vid Radboud universitet och Uppsala universitet har visat att neodym beter sig som ett självframkallat spinnglas, vilket betyder att den är sammansatt av ett krusade hav av många små virvlande magneter som cirkulerar i olika hastigheter och ständigt utvecklas över tiden. Att förstå denna nya typ av magnetiskt beteende förfinar vår förståelse av element i det periodiska bordet, och kan så småningom bana väg för nya material för artificiell intelligens. Resultaten kommer att publiceras den 29 maj, i Vetenskap .

"I en burk med honung, du kanske tror att de en gång klara områdena som blev mjölkgula har blivit dåliga. Men hellre, burken honung börjar kristallisera. Det är så du kan uppfatta 'åldringen i neodym, " säger Alexander Khajetoorians, professor i scanning sond mikroskopi. Med professor Mikhail Katsnelson och biträdande professor Daniel Wegner, han fann att materialet neodym beter sig på ett komplext magnetiskt sätt som aldrig tidigare observerats i ett grundämne i det periodiska systemet.

Virvlande magneter och glasögon

Magneter definieras av en nord- och sydpol. Att dissekera en vanlig kylskåpsmagnet avslöjar många atommagneter, så kallade snurr, som är inriktade längs samma riktning och definierar nord- och sydpolen. Helt annorlunda, vissa legeringsmaterial finns som spinnglas, där slumpmässigt fördelade snurr pekar i alla möjliga riktningar. Spinglasögon har fått sitt namn från de amorfa, utvecklande struktur hos atomerna i en glasbit. På det här sättet, spinnglasögon kopplar magnetiskt beteende till fenomen i mjukare materia, som vätskor och geler.

Spinglas har varit känt att förekomma i legeringar, som är kombinationer av metaller med ett eller flera andra grundämnen och med en amorf struktur, men aldrig i rena element i det periodiska systemet. Förvånande, Radboud-forskare fann att atomsnurrarna i en perfekt ordnad del av det sällsynta jordartselementet neodym bildar mönster som virvlar runt som en helix men ständigt ändrar det exakta mönstret för helixen. Detta är manifestationen av ett nytt tillstånd av materia som kallas ett självframkallat spinnglas.

Att se den magnetiska strukturen

"I Nijmegen, vi är specialister på scanning tunneling microscopy (STM). Det låter oss se strukturen hos enskilda atomer, och vi kan lösa atomernas nord- och sydpoler, "Förklarar Wegner." Med detta framsteg inom högprecisionsavbildning, vi kunde upptäcka beteendet i neodym, eftersom vi kunde lösa de otroligt små förändringarna i den magnetiska strukturen. Det är inte en lätt sak att göra."

Ett material som beter sig som neuroner

Detta fynd öppnar för möjligheten att detta komplexa och glasartade magnetiska beteende också kan observeras i nya material, inklusive andra element i det periodiska systemet. Khajetoorians säger, "Det kommer att förfina lärobokskunskapen om materiens grundläggande egenskaper. Men det kommer också att ge en provgrund för att utveckla nya teorier där vi kan koppla fysik till andra områden, till exempel, teoretisk neurovetenskap. Den komplexa utvecklingen av neodym kan vara en plattform för att efterlikna grundläggande beteende som används inom artificiell intelligens. Alla komplexa mönster som kan lagras i detta material kan kopplas till bildigenkänning. "

Med framstegen av AI och dess stora energifotavtryck, det finns en ökande efterfrågan på att skapa material som kan utföra hjärnliknande uppgifter direkt i hårdvara. "Du skulle aldrig kunna bygga en hjärninspirerad dator med enkla magneter, men material med detta komplexa beteende kan vara lämpliga kandidater, " säger Khajetoorians.