[論文レビュー] Discovery and implications of hidden atomic-scale structure in a metallic meteorite

András Kovács, L. H. Lewis+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、原子分解能電子顕微鏡および原子プローブトロノメトリーを用いて、金属隕石NWA 6259のテトラタエンサイトマトリックス内に、以前に検出されていなかった反強磁性FeNiナノ相（A6型、~2 nm 直径）を同定した。このナノ相に加え、強磁性のA2相およびL12相が存在し、界面で歪んだ磁気ドメイン壁を形成することで、磁化の飽和が低下し、テトラタエンサイトの持つ持続可能な高性能永久磁石としての潜在能力が最大20%低く評価されていた。

ABSTRACT

Iron and its alloys have made modern civilisation possible, with metallic meteorites providing one of the human's earliest sources of usable iron as well as providing a window into our solar system's billion-year history. Here highest-resolution tools reveal the existence of a previously hidden FeNi nanophase within the extremely slowly cooled metallic meteorite NWA 6259. This new nanophase exists alongside Ni-poor and Ni-rich nanoprecipitates within a matrix of tetrataenite, the uniaxial, chemically ordered form of FeNi. The ferromagnetic nature of the nanoprecipitates combined with the antiferromagnetic character of the FeNi nanophases give rise to a complex magnetic state that evolves dramatically with temperature. These observations extend and possibly alter our understanding of celestial metallurgy, provide new knowledge concerning the archetypal Fe-Ni phase diagram and supply new information for the development of new types of sustainable, technologically critical high-energy magnets.

研究の動機と目的

• 従来の顕微鏡法では検出されない金属隕石内の隠れた原子スケールの微細構造を解明すること。
• テトラタエンサイト含有の隕石に含まれる超微細FeNi析出相の磁気的および構造的役割を特定すること。
• これまで考慮されていなかった反強磁性相が、テトラタエンサイトの技術的磁気的特性に与える影響を評価すること。
• この微細構造が、自然に存在する磁石の性能評価の正確性および持続可能な磁石開発に与える影響を検討すること。

提案手法

• NWA 6259中のFeNi相の原子スケール像を得るための高角度アンギュラー・ダークフィールド走査型透過電子顕微鏡（HAADF-STEM）。
• サブナノメートル分解能でナノ相の化学成分および空間的分布を定量する三次元原子プローブトロノメトリー（APT）。
• 単結晶性の確認および局所的試料作製のための電子線バックスキャッタードディフラクション（EBSD）。
• APTで得られた微細構造に基づくマイクロ磁気シミュレーションにより、磁気ドメイン構造および壁の動態をモデル化。
• 室温での磁化履歴測定により、磁化の飽和およびドメイン反転挙動を評価。
• FIBマシニング、TEM、APTを統合した相関顕微鏡法により、微細構造と磁気応答を関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能像が得られても、NWA 6259隕石のテトラタエンサイトマトリックス内に隠れた原子スケールの微細構造的特徴は何か？
• RQ2 新たに同定された反強磁性FeNiナノ相（A6型）の磁気的性質は、隕石全体の磁化にどのように影響するか？
• RQ3 反強磁性および強磁性ナノ相の存在が、磁気ドメイン壁をどれほど歪ませ、磁化反転にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 自然に存在するテトラタエンサイトの最大エネルギー積がなぜ低く評価されているのか、その理由と持続可能な永久磁石としての可能性に与える影響は何か？

主な発見

• NWA 6259のテトラタエンサイトマトリックス内に、以前に検出されていなかった反強磁性FeNiナノ相（A6型）が2.0±0.5 nmの直径で同定された。
• この反強磁性ナノ相は磁気的空洞として機能し、有効な磁気応答を低下させることで、隕石の磁化の飽和を低下させている。
• マイクロ磁気シミュレーションにより、L12ラメラに交差する部分で、磁気的異方性の違いによりテトラタエンサイトマトリックス内の磁気ドメイン壁がねじれた構造に歪められていることが示された。
• L10相におけるドメイン壁幅は5.6 nm、L12相では18 nmであり、相界面での顕著なエネルギー差が示された。
• 室温での3回目のヒステリシスループでは、磁化の飽和が著しく増加しており、反強磁性相の溶解を示しており、その磁化抑制に果たす役割が確認された。
• これらの隠れた相の存在により、テトラタエンサイトの最大エネルギー積が15–20%低く評価されており、適切に処理された場合、希土類磁石の約70%の性能に達する可能性があると示唆された。