Raz w górę, raz w dół – jak lokalne uporządkowanie atomowe wpływa na magnetyzm stopu?

Od zarania dziejów ,,materiały”, czyli różnego rodzaju surowce i minerały pełnią kluczową rolę w rozwoju cywilizacji człowieka. Obrazowym przykładem wpływu i skali ich znaczenia są chociażby oparte o ich nazwy określenia epok w prehistorii takie jak epoka kamienia, brązu czy żelaza. Wykorzystanie tych właśnie materiałów w czasie trwania danej epoki stanowiło o przełomach rozwojowych ludzkości jako gatunku.

Szczególnymi właściwościami warunkującymi wykorzystywanie danych materiałów były i są twardość, oraz możliwość ich przetwarzania. Początkowo wytwarzano z nich niezbędne do przetrwania narzędzia, obecnie stanowią fundament otaczającego nas świata materialnego, a ich coraz to szersze zastosowanie wpływa na ciągłą poprawę wygody i jakości naszego życia.

Na obecnym etapie rozwoju cywilizacji w czołówce kluczowych materiałów można umieścić  tworzywa sztuczne, które ze względu na wyjątkowe właściwości plastyczne znajdują się w ogromie przedmiotów, które nas otaczają i których na co dzień używamy. Innym materiałem, który nie jest już tak oczywistym dla ogółu, ale równie powszechnym i ważnym jest krzem, którego właściwości elektryczne, czyli tak zwane półprzewodnictwo leżą u podstaw elektroniki. W tym drugim przypadku już nie właściwości przydatne do tworzenia nowych przedmiotów, a wewnętrzne efekty fizyczne zachodzące w materiale, stanowią o jego funkcjonalności i szerokim zastosowaniu.

Rosnące zapotrzebowanie na nowe materiały wykazujące właściwości funkcjonalne sprawiło odkrycie wielu wspaniałych efektów zachodzących w ciele stałym. Wiele z nich związanych jest z zjawiskiem fizycznym jakim jest magnetyzm, a którego podłoże stanowi wewnętrzna struktura elektronowa danego materiału. Przykładem takich właściwości funkcjonalnych są magnetyczna pamięć kształtu oraz efekt magnetokaloryczny, które występują w magnetycznych stopach z pamięcią kształtu (FSMA - ferromagnetic shape memory alloys) i które są ze sobą ściśle związane. W obu efektach wykorzystywane jest zjawisko zmiany wewnętrznej struktury krystalicznej pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego. W przypadku efektu magnetycznej pamięci kształtu widoczne jest to jako zmiana kształtu lub ruch materiału. Efekt magnetokaloryczny polega na wykorzystaniu przemiany zachodzącej pod wpływem pola magnetycznego podczas której niskotemperaturowa faza o niskiej wartości namagnesowania transformuje do wysokotemperaturowej fazy o wysokiej wartości namagnesowania. Różnica wartości namagnesowania obu faz ma kluczowe znaczenie z punktu widzenia siły efektu.

Głównymi przedstawicielami magnetycznych stopów z pamięcią kształtu są stopy Heuslera Ni2Mn1+xZ1-x, gdzie Z = In, Sn, Sb. Ogólnie, stopy Heuslera stanowią szeroką klasę materiałów o zróżnicowanych właściwościach fizycznych. W zależności od składu mogą być metalami, półprzewodnikami lub półmetalami, a dodatkowo większość z nich charakteryzuje się właściwościami magnetycznymi.

W ramach ścisłej współpracy badacze z Centrum NanoBioMedycznego UAM, Instytutu Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu oraz Uniwersytetu w Linköping (Szwecja) przebadali wpływ zmiany składu stopów Ni2Mn1+xZ1-x (Z = In, Sn, Sb) na właściwości magnetyczne ich fazy wysokotemperaturowej. Przy użyciu metod obliczeniowych naukowcy wyjaśnili dodatni, ujemny oraz niemonotoniczny charakter zmian wartości momentu magnetycznego obserwowany dla tych stopów w zależności od pierwiastka podstawionego w miejsce „Z”. W tym celu badacze opracowali model wpływu zmian lokalnej konfiguracji atomowej na całkowity moment magnetyczny stopu. Dodatkowo, wnioski otrzymane z użycia zaproponowanego modelu potwierdzono doświadczalnie. W tym celu naukowcy wykorzystali zjawisko przesunięcia pętli histerezy w polu magnetycznym, tak zwany efekt „exchange bias”, dzięki któremu potwierdzono istnienie obszarów dających ujemny wkład do całkowitego momentu magnetycznego w stopie Ni2Mn1+xSn1-x.Zastosowanie opracowanego modelu nie ogranicza się jedynie do wyżej wymienionych stopów, a pozwala na badanie właściwości fizycznych, szczególnie magnetyzmu, w materiałach o niestechiometrycznym składzie.