Materialforskare har utvecklat en snabb metod för att producera epsilon järnoxid och visat sitt löfte för nästa generations kommunikationsenheter. Dess enastående magnetiska egenskaper gör det till ett av de mest eftertraktade materialen, som för den kommande 6G-generationen av kommunikationsenheter och för hållbar magnetisk inspelning. Verket publicerades i Journal of Materials Chemistry C , en tidskrift från Royal Society of Chemistry.

Järnoxid (III) är en av de mest utbredda oxiderna på jorden. Det finns mestadels som mineralet hematit (eller alfajärnoxid, a-Fe ₂ O ₃ ). En annan stabil och vanlig modifiering är maghemite (eller gammamodifiering, y-Fe ₂ O ₃ ). Den förra används ofta inom industrin som ett rött pigment, och det senare som ett magnetiskt inspelningsmedium. De två modifikationerna skiljer sig inte bara i kristallin struktur (alfa-järnoxid har hexagonal syngoni och gamma-järnoxid har kubisk syngoni) utan också i magnetiska egenskaper.

Förutom dessa former av järnoxid (III), det finns mer exotiska modifieringar som epsilon-, beta-, zeta-, och till och med glasigt. Den mest attraktiva fasen är epsilon järnoxid, e-Fe ₂ O ₃ . Denna modifiering har en extremt hög koercitivkraft (materialets förmåga att motstå ett externt magnetfält). Styrkan når 20 kOe vid rumstemperatur, vilket är jämförbart med parametrarna för magneter baserade på dyra sällsynta jordartsmetaller. Vidare, materialet absorberar elektromagnetisk strålning i sub-terahertz frekvensområdet (100-300 GHz) genom effekten av naturlig ferromagnetisk resonans. Frekvensen av sådan resonans är ett av kriterierna för användning av material i trådlösa kommunikationsenheter – 4G-standarden använder megahertz och 5G använder tiotals gigahertz. Det finns planer på att använda sub-terahertz-området som ett arbetsområde i den sjätte generationens (6G) trådlös teknik, som förbereds för aktiv introduktion i våra liv från början av 2030-talet.

Det resulterande materialet är lämpligt för produktion av omvandlingsenheter eller absorbatorkretsar vid dessa frekvenser. Till exempel, genom att använda komposit ε-Fe ₂ O ₃ nanopulver kommer det att vara möjligt att tillverka färger som absorberar elektromagnetiska vågor och därmed skyddar rum från främmande signaler, och skydda signaler från avlyssning utifrån. ε-Fe ₂ O ₃ själv kan också användas i 6G-mottagningsenheter.

Epsilon järnoxid är en extremt sällsynt och svår form av järnoxid att få tag på. I dag, det tillverkas i mycket små mängder, med själva processen tar upp till en månad. Detta, självklart, utesluter dess utbredda tillämpning. Författarna till studien utvecklade en metod för accelererad syntes av epsilon järnoxid som kan reducera syntestiden till en dag (det vill säga, att utföra en hel cykel på mer än 30 gånger snabbare!) och öka mängden av den resulterande produkten. Tekniken är enkel att reproducera, billig och kan enkelt implementeras i industrin, och de material som krävs för syntesen - järn och kisel - är bland de mest förekommande elementen på jorden.

"Även om epsilon-järnoxidfasen erhölls i ren form för relativt länge sedan, år 2004, det har fortfarande inte hittat industriell tillämpning på grund av komplexiteten i dess syntes, till exempel som medium för magnetisk inspelning. Vi har lyckats förenkla tekniken avsevärt, " säger Evgeny Gorbatjov, en Ph.D. student vid institutionen för materialvetenskap vid Moscow State University och verkets första författare.

Nyckeln till framgångsrik tillämpning av material med rekordstora egenskaper är forskning om deras grundläggande fysikaliska egenskaper. Utan fördjupning, materialet kan oförtjänt glömmas bort i många år, som har hänt mer än en gång i vetenskapens historia. Det var tandem av materialforskare vid Moscow State University, vem syntetiserade föreningen, och fysiker vid MIPT, som studerade det i detalj, som gjorde utvecklingen en framgång.

"Material med så höga ferromagnetiska resonansfrekvenser har enorm potential för praktiska tillämpningar. Idag, terahertz-tekniken blomstrar:det är Internet of Things, det är ultrasnabb kommunikation, det är mer snävt fokuserade vetenskapliga anordningar, och det är nästa generations medicinsk teknik. Medan 5G-standarden, som var mycket populär förra året, fungerar vid frekvenser i tiotals gigahertz, våra material öppnar dörren till betydligt högre frekvenser (hundratals gigahertz), vilket innebär att vi redan har att göra med 6G-standarder och högre. Nu är det upp till ingenjörer, vi delar gärna informationen med dem och ser fram emot att kunna hålla en 6G-telefon i våra händer, " säger Dr Liudmila Alyabyeva, Ph.D., senior forskare vid MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy, där terahertz-forskningen utfördes.