Есть несколько возможностей создать или повлиять на магнетизм обратимо физическими средствами. Стандартные методы заключаются в использовании, например, электромагнитной катушки, где сильный ток создает магнитное поле, но катушка непрерывно потребляет энергию. Другая возможность – поляризовать ферромагнетик, что означает параллельное выравнивание магнитных структур в материале, так что создается общее магнитное поле. Для поддержания этого магнитного поля не требуется энергии, но оно является постоянным и его нелегко удалить.
Другой вариант – магнитоэлектрическая связь, когда электрическое поле используется для индукции магнетизма; однако этот механизм часто ограничивается только верхним монослоем атомов кристаллической решетки. Следовательно, приводит к минимальному изменению намагниченности.
Недавно разработанный химический контроль магнетизма в KIT предлагает уникальный подход, выходящий за рамки концепций, описанных выше: процесс влияет на объемный материал, а не только на поверхность, и он обратим, что означает, что его можно отменить. Отдельные магнитные состояния (магнитное / немагнитное) являются энергонезависимыми, что дает основную новизну, заключающуюся в том, что различные магнитные состояния – в отличие от электромагнитной катушки – могут поддерживаться, не требуя непрерывного потока тока и потребления энергии.
"Тысячи циклов зарядки-разрядки литий-ионных аккумуляторов, используемых, например, в мобильных телефонах, показывают, что электрохимические процессы могут быть очень обратимыми. Это привело нас к идее использовать аналогичные структуры, такие как литий-ионные батареи, – говорит Субхо Дасгупта из Института нанотехнологий KIT.
При зарядке и разрядке литий-ионного аккумулятора ионы мигрируют от одного электрода к другому и интеркалируют в электрод.
Команда ученых, работающая с Дасгуптой, теперь создала литий-ионный аккумулятор, в котором один электрод сделан из маггемита, ферромагнитного оксида железа (γ-Fe2O3), а другой электрод состоит из чистого металлического лития. Эксперименты показали, что интеркаляция иона лития в маггемите снижает его намагниченность при комнатной температуре.
Путем особого контроля ионов лития, i.е. заряжая и разряжая аккумулятор, можно контролировать намагниченность маггемита. Подобно обычным литий-ионным аккумуляторам, этот эффект можно повторить.
В описанных экспериментах исследователи достигли вариации намагниченности до 30%. В долгосрочной перспективе целью является полное магнитное включение и выключение. Ученые надеются найти способ создания магнитного переключателя, который работает по тому же принципу, что и электрический транзистор: в то время как последний включает и выключает контролируемый ток, магнитный переключатель будет включать и выключать сильный ферромагнетик.
В принципе, этот процесс может заменить любые приложения, в которых используются низкочастотные электромагниты, но в этом случае можно достичь гораздо более высокой энергоэффективности.
Исследования ученых KIT в основном нацелены на небольшие магнитные приводы для использования в (микро) роботах или микрофлюидике.