De sterkste permanente magneten van tegenwoordig bevatten een mix van de elementen neodymium en ijzer. Echter, neodymium op zichzelf gedraagt ​​zich niet als een bekende magneet, al meer dan een halve eeuw verwarrende onderzoekers. Natuurkundigen van de Radboud Universiteit en de Universiteit van Uppsala hebben aangetoond dat neodymium zich gedraagt ​​als een zelfopgewekt spinglas, wat betekent dat het is samengesteld uit een golvende zee van vele kleine wervelende magneten die met verschillende snelheden circuleren en voortdurend evolueren in de tijd. Het begrijpen van dit nieuwe type magnetisch gedrag verfijnt ons begrip van elementen op het periodiek systeem, en kan uiteindelijk de weg vrijmaken voor nieuwe materialen voor kunstmatige intelligentie. De resultaten worden op 29 mei gepubliceerd, in Wetenschap .

"In een pot honing, je zou kunnen denken dat de eens zo heldere gebieden die melkachtig geel werden, slecht zijn geworden. Maar liever, de pot honing begint te kristalliseren. Zo kon je het verouderingsproces in neodymium waarnemen, " zegt Alexander Khajetoorians, professor in scanning probe microscopie. Met professor Mikhail Katsnelson en assistent-professor Daniel Wegner, hij ontdekte dat het materiaal neodymium zich op een complexe magnetische manier gedraagt ​​die nog nooit eerder is waargenomen in een element op het periodiek systeem.

Wervelende magneten en glazen

Magneten worden gedefinieerd door een noord- en zuidpool. Het ontleden van een gewone koelkastmagneet onthult veel atomaire magneten, zogenaamde spins, die in dezelfde richting zijn uitgelijnd en de noord- en zuidpool definiëren. Heel anders, sommige legeringsmaterialen bestaan ​​als spinglas, waarin willekeurig verdeelde spins in allerlei richtingen wijzen. Spinglazen ontlenen hun naam aan het amorfe, evoluerende structuur van de atomen in een stuk glas. Op deze manier, spinbrillen koppelen magnetisch gedrag aan verschijnselen in zachtere materie, zoals vloeistoffen en gels.

Het is bekend dat spinglazen voorkomen in legeringen, die combinaties zijn van metalen met een of meer andere elementen en met een amorfe structuur, maar nooit in zuivere elementen van het periodiek systeem. Verrassend genoeg, Radboud-onderzoekers ontdekten dat de atomaire spins van een perfect geordend stuk van het zeldzame-aarde-element neodymium patronen vormen die ronddraaien als een helix, maar het exacte patroon van de helix voortdurend veranderen. Dit is de manifestatie van een nieuwe staat van materie, een zelf-geïnduceerd spinglas.

De magnetische structuur zien

"Nijmegen, wij zijn specialisten in scanning tunneling microscopie (STM). Het stelt ons in staat om de structuur van individuele atomen te zien, en we kunnen de noord- en zuidpool van de atomen oplossen, Wegner legt uit. "Met deze vooruitgang in zeer nauwkeurige beeldvorming, konden we het gedrag in neodymium ontdekken, omdat we de ongelooflijk kleine veranderingen in de magnetische structuur konden oplossen. Dat is niet eenvoudig."

Een materiaal dat zich gedraagt ​​als neuronen

Deze bevinding opent de mogelijkheid dat dit complexe en glazige magnetische gedrag ook kan worden waargenomen in nieuwe materialen, inclusief andere elementen op het periodiek systeem. Khajetoorianen zegt, "Het zal de leerboekkennis van de basiseigenschappen van materie verfijnen. Maar het zal ook een proeftuin bieden om nieuwe theorieën te ontwikkelen waar we de natuurkunde kunnen koppelen aan andere gebieden, bijvoorbeeld, theoretische neurowetenschap. De complexe evolutie van neodymium kan een platform zijn om basisgedrag na te bootsen dat wordt gebruikt in kunstmatige intelligentie. Alle complexe patronen die in dit materiaal kunnen worden opgeslagen, zijn te koppelen aan beeldherkenning."

Met de vooruitgang van AI en zijn grote energievoetafdruk, er is een toenemende vraag om materialen te maken die hersenachtige taken direct in hardware kunnen uitvoeren. "Je zou nooit een door het brein geïnspireerde computer kunnen bouwen met simpele magneten, maar materialen met dit complexe gedrag zouden geschikte kandidaten kunnen zijn, ' zegt Khajetoorians.