Magnetiska material består av grundämnen som lätt dras till andra magneter och själva kan bli magnetiska. I dag används de exempelvis för att lagra stora mängder elektronisk information eller för att producera grön energi i vind- och vattenkraftverk. Men behovet av nya magnetiska material ökar – och det pågår en jakt på nya magneter.

– Det vi gör är att översätta matematiska koncept och ekvationer till ett språk som datorer kan förstå. Sedan programmerar vi ekvationerna för att hitta lösningar som synliggör materialens egenskaper, säger Olle Eriksson som är professor i teoretisk magnetism på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet, där han leder en stor grupp forskare.

Matematiken bygger i sin tur på Schrödingerekvationen, som beskriver partiklars och i synnerhet elektroners dynamik. Elektronerna kan ses som satelliter som snurrar runt atomernas kärnor och deras antal liksom rörelser påverkar materialens egenskaper.

Tolkar ”fingeravtryck” av material

– Vi arbetar med vår materialforskning samtidigt som vi har speciellt fokus på att bistå de två stora experimentella anläggningarna MAX IV och ESS i Lund, säger han.

– När ESS har kommit igång omkring 2027 är vi väl förberedda på teorisidan. Vi har utvecklat tekniker för att hjälpa till att analysera det man kommer att se på ESS, liksom vi gjort för MAX IV. 

För att genomlysa materialen använder MAX IV så kallat synkrotronljus, medan forskarna på ESS kommer att skjuta neutroner på materialen. Båda metoderna syftar till att avslöja egenskaper hos materialen. De så kallade spektra som presenteras liknar unika fingeravtryck.  

– Man behöver förstå varför olika spektra ser ut som de gör och hur de kopplar till olika materialegenskaper och det är vår uppgift att ta reda på det, säger Olle Eriksson. Det gäller såväl för egenskaper hos magnetiska som för omagnetiska material.

I fråga om de magnetiska materialen kommer informationen som samlas in att lagras i en databas som forskare vid Ångströmlaboratoriet och Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm nu färdigställer.

Som Wallenbergs Scholar kommer Olle Eriksson fortsätta att söka efter lämpliga magnetiska material under de kommande fem åren – med ambitionen ”att ge avtryck i omställningen till hållbara energikällor”.

Man behöver förstå varför olika spektra ser ut som de gör.

Starkt magnetiska material består mestadels av sällsynta jordartsmetaller som neodym, ofta som en mineral, som i dag bland annat utvinns i gruvor i Kina. Men de är ofta dyra och utvinningen innebär en starkt negativ miljöpåverkan.

Erikssons grupp utforskar därför billigare och bättre ersättningar. Bland annat studerar de två- och tredimensionella magnetiska produkter – alltså material som ligger på varandra i två eller tre skikt – något som till en början inte var någon självklarhet.

Grafen – en överraskning

– När Nobelpriset 2010 gick till upptäckten av grafen, ett tvådimensionellt lager av kol, kom det som en överraskning för oss fysiker, eftersom vår tanke då var att material inte kan finnas i stabil form i en tvådimensionell geometri. Men det visade sig inte stämma, berättar Olle Eriksson.

Snart därefter började magnetismforskare också att undersöka 2D-material med distinkta magnetiska profiler, antingen ferromagnetiska eller antiferromagnetiska.

Redan 2013 publicerade Olle Erikssons forskargrupp en prognos över tänkbara framtida 2D-material och förutspådde därmed den kommande utvecklingen.

– En av de saker vi vill undersöka framöver är om det sätt som elektroner rör sig och förhåller sig i materialet är annorlunda i en 2D-värld jämfört med i en 3D-värld, uppger Olle Eriksson.

Grön rost – magnetiskt intressant?

Hittills har gruppen utforskat och beskrivit ett 20-tal nya 2D-material, utav vilka somliga är magnetiska och andra inte. Enligt Olle Eriksson kan ett hundratal nya 2D-material dock komma att upptäckas i världen inom tio år. Hit hör också material som ibland beskrivs i geofysiska sammanhang och som kan bli magnetiska som hydroxider och dihydroxider.

Dessutom studerar forskarna vid Ångströmlaboratoriet också magnetiska egenskaper hos exempelvis grön rost, järn i en speciell hydroxid/karbonat-form, i syfte att förstå dess potentiella användningsområde.

Samtidigt är också topologiska magnetiska strukturer intressanta. En sådan är skyrmionstrukturen, där magnetismen flödar som en toppig virvelvind och sedan förs i samma riktning inåt mitten.

–Skyrmioner finns av olika typer och kan finnas i flera olika material. Det som de har gemensamt är en viss inre struktur, en topologi, säger Olle Eriksson. Deras potentiella användningsområde är som informationsbärare, eftersom den unika topologin ger dem ett ökat skydd mot störningar. De är därför också mer stabila än andra magnetiska strukturer.

Även atomtunna magnetiska supermaterial anses intressanta i syfte att skapa framtida hållbara, känsliga och energieffektiva sensorer eller som lagringsmedium för massiva mängder digitala data.

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström