I quasi-cristalli ferromagnetici in massa emergono senza spegnimento rapido, sbloccando studi magnetici stabili

Una scoperta rivoluzionaria nel campo della scienza dei materiali ha aperto nuove strade per lo studio del ferromagnetismo nei quasicristalli. I ricercatori hanno creato con successo quasicristalli ferromagnetici in massa senza fare affidamento sul riscaldamento rapido, un metodo che in precedenza aveva limitato l'integrità strutturale e la stabilità di tali materiali. Questo risultato segna un cambiamento significativo nella comprensione di come i quasicristalli possono essere utilizzati per esplorare le proprietà magnetiche intrinseche, offrendo una base più solida per studi futuri.

Lo sviluppo di questi quasicristalli avviene dopo anni di sfide nel raggiungere strutture stabili che potrebbero supportare indagini dettagliate delle loro caratteristiche magnetiche. Il ferromagnetismo, tipicamente osservato sia nei cristalli periodici che nei materiali amorfi, si era dimostrato difficile da realizzare nei quasicristalli a causa del loro ordine quasiperiodico a lungo raggio unico e delle simmetrie rotazionali non convenzionali. Tuttavia, recenti progressi hanno permesso agli scienziati di osservare il ferromagnetismo nei quasicristalli icosaedrali a base d'oro, stabilendoli come una nuova piattaforma per la ricerca magnetica.

In precedenza, tutti i quasicristalli ferromagnetici conosciuti richiedevano la sintesi attraverso un rapido spegnimento, un processo che ha portato a materiali metastabili e strutturalmente difettosi. Quando sottoposti a ricottura, questi quasicristalli si sono trasformati in cristalli approssimanti, che, sebbene simili nella struttura atomica locale, possedevano un ordine periodico piuttosto che la natura quasiperiodica dei quasicristalli. Questa trasformazione ha ostacolato la capacità di studiare le proprietà magnetiche intrinseche dei veri quasicristalli, in particolare aspetti come la criticalità magnetica, che descrivono il comportamento di un materiale vicino a una transizione di fase magnetica.

Per superare queste limitazioni, un team di ricerca guidato dal professor Ryuji Tamura del Dipartimento di Scienza e Tecnologia dei Materiali e dal dottor Farid Labib dell'Istituto di Ricerca per la Scienza e la Tecnologia dell'Università di Scienza di Tokyo (TUS) in Giappone ha impiegato un approccio innovativo. Hanno utilizzato un classificatore di fasi basato sull'apprendimento automatico per guidare la selezione di composizioni di leghe adatte per la creazione di ferromagnetic icosahedral quasicristalli stabili. Analizzando i dati del database HYPOD-X QC e altre risorse esistenti, hanno identificato 675 potenziali sistemi di leghe quinariche. Tra questi, i sistemi oro- rame- alluminio- indio- terre rare (Au-Cu-Al-In-R) hanno mostrato la più grande promessa.

Nello specifico, le combinazioni che coinvolgono elementi delle terre rare come gadolinio (Gd), terbio (Tb) e disprosio (Dy) sono state selezionate per ulteriori esplorazioni. Utilizzando tecniche convenzionali di fusione ad arco seguite da ricottura controllata, i ricercatori hanno sintetizzato tre quasi-cristalli ferromagnetici icosahedrici quinarici di massa: Au-Cu-Al-In-Gd, Au-Cu-Al-In-Tb e Au-Cu-Al-In-Dy. Questi quasi-cristalli di nuova concezione hanno dimostrato una notevole stabilità anche sotto ricottura prolungata ad alte temperature, in particolare a 723 Kelvin.

3 Kelvin, a seconda dell'elemento di terre rare incorporato. Questo risultato fornisce chiare prove di un ordine ferromagnetico intrinseco in questi quasi-cristalli di recente scoperta. Nonostante la condivisione della stessa struttura a reticolo quasi-periodico, ogni composto mostrava comportamenti critici magnetici distinti influenzati dall'anisotropia magnetica mono-ionica dei rispettivi elementi di terre rare. Questa variazione suggerisce che le proprietà magnetiche dei quasi-cristalli possono essere finemente sintonizzate in base alla scelta dei costituenti, aprendo possibilità per la personalizzazione di materiali con risposte magnetiche specifiche per varie applicazioni.

Questa scoperta apre la strada a ulteriori esplorazioni delle proprietà magnetiche dei quasicristalli, che potenzialmente porteranno a innovazioni nella tecnologia e nell'ingegneria dei materiali. Con la nuova capacità di creare quasicristalli a massa stabili, i ricercatori possono ora condurre studi più completi sui loro comportamenti magnetici, contribuendo in modo significativo alla comprensione più ampia del magnetismo nei solidi non periodici.