Группа ученых из Университета Миннесоты недавно совершила значимое научное открытие в ходе серии экспериментальных исследований. Инициативная группа ученых экспериментально подтвердила, что рутений (Ru) является одним из четырех химических элементов, обладающих весьма уникальными магнитными свойствами при комнатной температуре. До настоящего времени известными были лишь три стабильных магнитных элемента — железо (Fe), кобальт (Co) и никель (Ni), а также гадолиний (Gd), теряющий свои характеристики при температуре выше 8 градусов Цельсия. Выявление нового магнитного материала открывает перспективы для разработки инновационных типов датчиков, систем хранения и обработки данных, а также широкого спектра электронных и электромеханических устройств.

В основе данного открытия лежат некоторые теоретические предсказания, для реализации которых ученые из Миннесоты разработали метод “выращивания” кристаллов рутения, имеющих четырехугольную форму решетки, а не шестиугольную, которую имеет этот элемент в своем естественном виде. И именно эта четырехугольная форма рутения, сформированного в виде тонкой пленки, демонстрирует ярко выраженные ферромагнитные свойства при комнатной температуре.

Исследователи считают, что своим открытием они открыли дверь к направлению фундаментальных исследований магнитных свойств рутения. Рутений особо интересен тем, что он химически инертен, он очень стоек к окислению. Кроме этого, его магнитные свойства должны иметь высокую термическую стабильность, что делает этот материал подходящим кандидатом на его использование в устройствах магнитной записи информации следующих поколений. И именно сейчас ученые занимаются исследованиями этого уникального свойства рутения.

Помимо традиционных технологий, в которых используются магнитные свойства материалов, появление нового магнитного материала может сыграть важную роль для дальнейшего развития ряда новых направлений, таких, как спинтроника. Этому будет благоприятствовать то, что технологии выращивания тонких пленок и создания наноструктур уже дошли до того уровня, который позволяет производить материалы, имеющие уникальные свойства, которыми не обладают эти же материалы естественного происхождения.

“Мы рады, что нам удалось найти четвертый магнитный химический элемент” – пишут исследователи, – “Это было захватывающей и очень сложной проблемой. Нам потребовалось около двух лет для того, чтобы найти правильный метод выращивания кристаллов рутения. И, может быть, рутений станет далеко не последним магнитным материалом, которые мы обнаружим в ближайшем будущем”.

Мировые лидеры в области исследований новых химических элементов с уникальными магнитными свойствами: мировые и российские достижения

1. Университет Миннесоты (США) — здесь были проведены революционные исследования рутения, которые показали его ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Учёные измерили намагниченность образцов рутения различной толщины и выявили интересные зависимости.
2. Международный научно-исследовательский центр в Германии — немецкие учёные активно изучают новые материалы и их магнитные свойства, сотрудничая с коллегами по всему миру.
3. Исследовательские институты Японии — японские учёные также вносят значительный вклад в изучение магнитных материалов, разрабатывая новые технологии на основе редких элементов.

Российские исследования

1. Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) — российские учёные активно исследуют магнитные свойства различных элементов и соединений, включая рутений. Они изучают влияние толщины плёнок и условий синтеза на магнитные характеристики материалов.
2. Казанский федеральный университет — здесь продолжаются исследования, связанные с открытием рутения профессором Карлом Клаусом. Современные учёные изучают возможности практического применения этого элемента.
3. Институт физики твёрдого тела РАН (Москва) — институт занимается фундаментальными и прикладными исследованиями магнитных материалов, включая разработку новых сплавов и композитов.

Ключевые достижения

• В 2018 году учёные из Университета Миннесоты доказали, что рутений обладает ферромагнитными свойствами при комнатной температуре, что стало важным открытием в области материаловедения.
• Российские исследователи разработали методы получения тонких плёнок рутения и изучили их магнитные характеристики при различных температурах.
• Были выявлены зависимости между толщиной плёнки и силой намагниченности, что открывает новые перспективы для практического применения рутения и других магнитных материалов.

Эти исследования не только расширяют наши знания о свойствах химических элементов, но и открывают новые возможности для создания инновационных материалов и технологий в различных отраслях промышленности.

Российский опыт

Следует отметить что у российских учёных есть ряд ярких достижений в изучении и применении материалов с необычными магнитными свойствами. Мы подобрали несколько самых значимых работ — от фундаментальных открытий до прикладных разработок.

• Открытие рутения. Это, пожалуй, самая известная веха. В 1844 году профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус выделил из уральской платиновой руды новый элемент и назвал его рутением (от лат. Ruthenia — Россия). Сам по себе это фундаментальный вклад в химию, но позже исследования рутения привели и к магнитным открытиям. В 2018 году учёные (в том числе при участии специалистов из российских институтов) показали, что в форме ультратонких плёнок с определённой (тетрагональной) кристаллической структурой рутений проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре. До этого среди простых веществ такими свойствами при обычных условиях обладали лишь железо, кобальт и никель. Это открытие открыло перспективы для создания новых компонентов в спинтронике и запоминающих устройствах. ru.wikipedia.org* +4
• Стабильные магнитные MAX-материалы. В 2022 году исследователи из Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН (Красноярский научный центр СО РАН) совершили прорыв в другой области. Они впервые теоретически предсказали возможность получения стабильных магнитных MAX-материалов (слоистых структур из переходного металла, элемента III–IV группы и углерода/азота) путём изменения их химического состава. Учёные предложили метод: заменять атомы в слоях (например, галлий на железо), чтобы настроить магнитные свойства. В результате получились фазы с ярко выраженным ферромагнетизмом, высокой намагниченностью и температурой Кюри, близкой к комнатной. Это большой шаг к практическому применению: такие материалы перспективны для спинтроники, магнитных запоминающих устройств, экранирования, а также для магнитного охлаждения (например, серверных центров) и постоянных магнитов в электродвигателях.
• Сплав для магнитов без редкоземельных металлов. Специалисты НИТУ МИСИС разработали альтернативу промышленным постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов (самария, неодима). Новый сплав состоит из доступных и недорогих компонентов: алюминия, марганца, с небольшими добавками галлия и меди. Суть в том, что при определённых условиях сплав неферромагнитных металлов (Mn и Al) образует особую τ-фазу, которая благодаря своей кристаллической структуре становится ферромагнетиком с сильными магнитными свойствами. Проблема была в нестабильности этой фазы при нагреве, но учёные решили её: добавление всего нескольких процентов галлия стабилизировало структуру, а добавка меди дополнительно усилила магнитные свойства и сделала материал пригодным для промышленной обработки. Такая разработка важна для снижения стоимости и упрощения производства магнитов в авиакосмической отрасли, электронике и медицинском оборудовании.
• Магниточувствительные материалы на основе арсенида кадмия. Учёные из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН (Москва) совместно с коллегами из ФИАН и «Курчатовского института» синтезировали магниточувствительные материалы. В матрицу арсенида кадмия (где электроны очень подвижны) ввели атомы хрома в разных концентрациях. Исследования показали, как хром «встраивается» в кристаллическую решётку, формируя разные фазы, и как это влияет на магнитные свойства. Такие материалы перспективны для создания устройств магнитной памяти, сенсоров, элементов связи и микроэлектроники нового поколения.

Каждое из этих направлений решает свою задачу: где-то это фундаментальное расширение знаний о том, как устроена материя, а где-то — прямой шаг к созданию более эффективных и доступных технологий. Хотите подробнее разобрать какую-то из тем — например, как именно работают MAX-фазы или в каких именно сенсорах пригодятся материалы на основе арсенида кадмия?