科学家发现“愚人节的黄金”终究可能有价值

此图显示了使用明斯克大学化学实验室中的一种方法将硫化铁晶体生长到极高纯度的例子。请注意“金色”光泽，这是黄铁矿或傻瓜黄金的特征。

研究人员首次将材料从非磁性转变为磁性。

在一项突破性的新研究中，明尼苏达大学的科学家和工程师已将丰富且低成本的非磁性材料硫化铁（也称为“傻瓜的黄金”或黄铁矿）电转化为磁性材料。

这是科学家第一次将完全非磁性的材料电转化为磁性材料，这可能是为更节能的计算机存储设备创建有价值的新型磁性材料的第一步。

该研究发表在科学进步上，这是由美国科学促进协会（AAAS）出版的同行评审科学杂志。

“大多数了解磁性的人可能会说不可能将非磁性材料电转换为磁性材料。然而，当我们更深入地研究时，我们看到了一条可行的路线，并得以实现。”该研究的首席研究员，明尼苏达大学杰出的麦克奈特大学教授，化学工程与材料科学系教授克里斯•莱顿（Chris Leighton）说。

莱顿及其同事，包括纽约大学的埃雷·艾迪尔（Eray Aydil）和明尼苏达大学的劳拉·加利亚尔迪（Laura Gagliardi）（化学），一直在研究硫化铁或“傻瓜金”，以用于太阳能电池。硫尤其是石油生产的高度丰富且低成本的副产物。不幸的是，科学家和工程师还没有找到一种使材料足够有效的方法来实现低成本，富含地球的太阳能电池。

莱顿说：“我们真的回到了硫化铁材料上，试图为廉价，无毒的太阳能电池找到根本的障碍。”“与此同时，我的小组还致力于新兴的磁电学领域，我们尝试使用电压来控制材料的磁性能，以潜在地应用于磁数据存储设备。在某个时候，我们意识到我们应该将这两个研究方向结合起来，并取得了回报。”

莱顿说，他们的目标是仅靠很小的电流就可以用一个电压来控制材料的磁性能，这对于提高磁器件的能效非常重要。迄今为止的进展包括在其他类型的磁性材料中打开和关闭铁磁性，这是技术上最重要的磁性形式。然而，硫化铁提供了在完全非磁性材料中潜在地电感应铁磁性的前景。

在这项研究中，研究人员使用了一种称为电解质门控的技术。他们拿走了非磁性硫化铁材料，并将其放入与离子溶液或电解质（与佳得乐相当）相接触的设备中。然后，它们施加低至1伏的电压（比家用电池低的电压），将带正电的分子移动到电解质和硫化铁之间的界面，并感应出磁性。重要的是，它们能够关闭电压并使材料恢复其非磁性状态，这意味着它们可以可逆地打开和关闭磁性。

“我们很惊讶它奏效，”莱顿说。“通过施加电压，我们实质上将电子注入了材料中。事实证明，如果您获得足够高的电子浓度，则该材料希望自发地变成铁磁，这是我们能够从理论上理解的。这具有很大的潜力。用硫化铁完成后，我们猜测我们也可以用其他材料来完成。”

莱顿说，如果不是他的团队研究用于太阳能电池的硫化铁以及有关磁电子学的研究，他们将永远不会尝试这种方法。

他说：“这是两个研究领域的完美融合。”

莱顿说，下一步是继续进行研究，以在更高的温度下复制该过程，研究小组的初步数据表明肯定有可能。他们还希望使用其他材料尝试该过程，并展示出用于实际设备的潜力。

除Leighton之外，研究团队的成员还包括奥格斯堡大学的杰弗里·沃尔特（前明尼苏达大学），布莱恩·沃伊特和埃兹拉·戴·罗伯茨（明尼苏达大学的研究生），凯·赫尔泰梅斯（奥格斯堡的本科生）以及明尼苏达大学教授Rafael Fernandes（物理学和天文学）和Turan Birol（化学工程和材料科学）。

该研究主要由明尼苏达大学的材料研究科学与工程中心（MRSEC）资助，这是美国国家科学基金会最近更新的计划。

参考：Jeff Walter，Bryan Voigt，Ezra Day-Roberts，Kei Heltemes，Rafael M.Fernandes，Turan Birol和Chris Leighton的电磁铁中的电压感应铁磁性，2020年7月29日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abb7721