科學家在鐵中發現類稀土磁性 或可替代稀土永磁體

艾姆斯實驗室能源學部的科學家們在鐵中發現了原本只有在稀土元素中才擁有的超強磁性能。他們在一種新型的鐵基材料中發現了這種磁性能，其Fe原子位于兩個N原子之間，并不包含稀土元素。這一發現提供了一個可能：利用Fe元素為高強度永磁體提供磁性和永久性，就像直接驅動的風力渦輪及或者電力驅動的混合動力車一樣。相關結果已經發布在自然通訊中。

現在用的磁體，大多數由鐵來提供足夠的磁場強度。但是為了具有永磁性或各向異性，制備磁體時又必須添加稀土元素。由于目前稀土元素價格昂貴，而且國內（指美國）供給短缺，所以，理想的下一代永磁體應該更多使用Fe或者其他儲藏豐富的元素，而非稀土。

艾姆斯實驗室科學家 Paul Canfield表示，這項研究的突破點在于發現磁體各向異性與Fe中的稀土離子的普遍聯系。因為這種性能僅在低溫下表現出來，所以并不能說是一項工業上的突破。但作為基礎科學方面的研究，可以為日后的技術革新起到拋磚引玉的作用。

Canfield 的研究團隊因在新材料的設計、探索、生長和性能研究方面的卓越貢獻而聞名于世。在這項研究中，Canfield 和博士后Jesche以及同事們設計了一種在鋰-氮溶液中生長出鋰-鐵-氮單晶的新方法。

Jesche介紹：因為人們一般認為氮是氣體，很難進入溶液中，所以以前從未深入探討過溶液中用氮來生長的方法。但鋰貌似可以將氮帶入溶液。將氮化鋰和鋰的粉末混合制成溶液之后將鐵加入。令人意想不到的結果是，鐵溶解了。一般來說，鐵與鋰是不能混合的，可能是氮的加入讓鐵溶解了。

所制得的單晶表現出了更加驚人的性能：單晶體磁矩翻轉所需要的外加磁場達到了11T，比目前的商業磁體足足高出一倍，比現存的單晶體高出2倍以上。這種混合物中的鐵離子表現出另一新奇的特征：鐵離子濃度非常低時會出現受磁場影響的量子隧穿效應。這一現象是在相對高的溫度——10K下發現的，比以往發現類似現象的溫度高1倍。

通過細致的研究，Canfield 認為這些單個鐵離子的行為的確與單個稀土離子相似。這種行為與鐵離子的特殊而極度簡單的結構有關：一個鐵離子在兩個氮原子之間。這種晶體生長技術和特殊材料或許能夠成為未來類稀土元素離子理論研究的系統模型。實質上，這類材料對找到替代稀土元素的永磁體有明顯的影響，并且可能影響到數據儲存和量子計算機技術。