năm 1972 hai nhà khoa học T.K Kim và Mikaku Takahashi (trường đại học Tohoku) xuất bản công trình nghiên cứu, công bố: "chúng tôi tìm thấy một vật liệu từ trường mới, có 'độ từ hoá bão hoà' ở nhiệt độ phòng 2050 G, cao nhất trong số những vật liệu từ trường"
có 5 loại từ trường: tính nghịch từ (diamagnetism), thuận từ (paramagnetism), sắt từ (ferromagnetism), từ sắt (ferrimagnetism), phản sắt từ (antiferromagnetism)
Sắt từ
đơn vị quan-sát-được căn bản của "tính sắt từ" là mô-men lưỡng cực từ
"mô-men lưỡng cực từ" bắt nguồn từ "mô-men động lượng nội tại" (spin) và quỹ đạo chuyển động của electron
bản thân "mô-men lưỡng cực từ" là một nam châm
những nguyên tử sắt, cô-ban, ni-ken bộc lộ những hiệu ứng lượng tử, giúp "sắp xếp thẳng hàng" (align) những "mô-men lưỡng cực từ" của các electron thành các miền từ (magnetic domain)
đưa một nam châm lại gần một thanh sắt sẽ "từ hoá" thanh sắt ấy: nam châm đã làm đổi hướng những "miền từ" của thanh sắt, tạo ra một từ trường "ròng" tạm thời, vì cấu trúc tinh thể của sắt đã không giữ được những "miền từ" ấy, nhiệt năng đã làm xáo trộn những "miền từ" ấy trở về trạng thái ban đầu
Nam châm vĩnh cửu
cấu trúc nguyên tử của một nam châm vĩnh cửu đã buộc những "mô-men lưỡng cực từ" sắp xếp thẳng hàng và giữ được trạng thái ấy
phần lớn nam châm vĩnh cửu được làm từ hỗn hợp sắt, cô-ban hoặc ni-ken và một nguyên tố đất hiếm, ví dụ neodimy hoặc samari
năm 1971 ở trường đại học Tokyo, Mikaku Takahashi đo lường những đặc điểm "từ trường" của một màng kim loại có-tính-bay-hơi có-thể-lắng-đọng (evaporative depositive metal film)
để làm ra màng kim loại ấy, một phương pháp là nung nóng sắt trong chân không, để sắt bay hơi và lắng đọng vào một mục tiêu (item) thành một màng mỏng
thập niên 1960 có nhiều quan tâm công nghiệp cho những "màng mỏng" bằng nhiều nguyên tố kim loại, phục vụ công nghiệp máy tính và màn hình hiển thị
làm việc với những thiết bị cũ ở phòng thí nghiệm NTT, Mikaku Takahashi cùng 2 sinh viên Hatayama và T.K. Kim người Hàn Quốc thí nghiệm màng ni-ken
Gia tốc giật
bấy giờ, đã lắng đọng bay hơi ni-ken thành những lớp ôxit trong chân không
trong quá trình lắng đọng bay hơi, nếu cho phép ôxy và nitơ trong bầu khí quyển đi vào khoang chân không, ôxy sẽ phản ứng với ni-ken tạo ra lớp ôxit
ni-ken là sắt từ, trong khi ôxit ni-ken phản sắt từ, đội ngũ Mikaku Takahashi thấy rằng vùng giáp ranh giữa ni-ken và ôxit ni-ken có những hành vi "từ trường" độc đáo
khi cho không khí đi vào khoang chân không, nơi đang lắng đọng ni-ken, khí ôxy tăng lên thì ôxit niken tăng lên, khiến những màng ni-ken và màng ôxit ni-ken ít "từ tính" hơn
khi "chân không" giảm áp suất xuống còn 2 mili Torr, sức mạnh "từ tính" (magnetism) tăng đột ngột
Mikaku Takahashi nhờ sinh viên T.K. Kim làm thí nghiệm tương tự với sắt, được kết quả tương tự khi "chân không" giảm áp suất xuống còn 3 mili Torr
"độ từ tính bão hoà" của vật liệu đã lên đến 1800-1900 Gauss, so với sắt 1700 Gauss và đã cao bằng sắt 65 cô-ban 35 bấy giờ là vật liệu nam châm vĩnh cửu có "độ từ tính bão hoà" cao nhất từng biết
những màng sắt chứa hỗn hợp sắt alpha và một pha của sắt nitride gọi là alpha''(Fe16N2)
pha alpha''(Fe16N2) là một kiểu tinh thể sắt, với những nguyên tử nitơ chỉnh sửa cấu trúc
pha alpha''(Fe16N2) đạt "mô-men lưỡng cực từ" trung bình 3 Bohn magneton mỗi nguyên tử sắt, đã cao hơn sắt thông thường 2.2 Bohn magneton mỗi nguyên tử
ngày 28 tháng 12 năm 1971 sau nhiều phương pháp xác nhận kết quả đo lường, đội ngũ Mikaku Takahashi xuất bản lên Cộng đồng Vật lý Nhật Bản (Physical Society of Japan)
đội ngũ Mikaku Takahashi tham vấn nhà vật lý lý thuyết Kanamori Junjiro nhưng bị né tránh câu hỏi, chỉ nhận được lời đáp rằng kết quả tính toán có vẻ vô lý
năm 1973 Mikaku Takahashi thăm Đông Đức, một giáo sư đã xin Mikaku Takahashi một mẫu, nói rằng đã không thể sản sinh được "mô-men lưỡng cực từ" lớn của pha alpha''(Fe16N2)
năm 1951 Kenneth Henderson Jack trường đại học Cambridge phát hiện và ghi chép việc tạo ra pha alpha''(Fe16N2) từ một cặp alpha'(Fe8N)
phòng thí nghiệm của Mikaku Takahashi cũng vất vả trong việc liên tục lặp lại kết quả thí nghiệm pha alpha''(Fe16N2) ban đầu, dẫn đến một dữ liệu phân tán
Hitachi
giữa thập niên 1980 Yoichi Sugita ở tập đoàn Hitachi liên lạc Mikaku Takahashi cho nghiên cứu sản phẩm ổ đĩa cứng và máy rung (wand)
để sản xuất màng, Hitachi áp dụng phương pháp mọc chùm phân tử (molecular beam epitaxy) sử dụng chùm electron để làm bay hơi sắt
đội ngũ Yoichi Sugita bay hơi và lắng đọng sắt trong môi trường khí nitơ xuống một nền indi gali arsenide được một màng dày 34 nanomet có "từ trường" đâu đó 2.8-3 Tesla tương đương "mô-men lưỡng cực từ" trung bình 3.2-3.5 Bohn magneton mỗi nguyên tử
năm 1991 nhóm Yoichi Sugita và Mikaku Takahashi xuất bản kết quả, nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc liên tục lặp lại những kết quả 3 Bohn-megneton/nguyên-tử này
cộng đồng đã thành lập 2 diễn đàn học thuật, chỉ để nghiên cứu từ tính sắt nitride trước năm 1994 tổ chức hội nghị từ tính và vật liệu từ trường
không có kết quả kiên quyết nào, vẫn là dữ liệu phân tán, và những mô hình vật lý định lượng như LSDA (xấp xỉ mật độ spin cục bộ) đã không giải thích được kết quả "từ tính" bất thường này
Mô hình "cụm + nguyên tử"
năm 2010 giáo sư Jian-Ping Wang trường Minnesota xuất bản lý thuyết vật lý chất rắn "cụm Fe-N + nguyên tử Fe tự do"
năm 2013 Jian-Ping Wang khởi nghiệp Niron Magnetics thương mại hoá
nam châm sắt nitride là một sắt từ "mềm" tức là dễ nhận/mất từ tính
ở vật liệu sắt thông thường, electron đi đồng đều ra khắp mạng lưới tinh thể, tạo ra một từ tính "ròng"
ở pha alpha''(Fe16N2), mô hình "cụm + nguyên tử" phát biểu rằng nguyên tử nitơ tạo ra những cụm bát-diện (octahedra) bên trong mạng lưới tinh thể
trong những cụm bát-diện này, electron chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi quy tắc lượng tử Hund (Hund's Rule) cơ cấu electron tạo ra "mô-men lưỡng cực từ" mạnh hơn
bên ngoài những cụm bát-diện, những nguyên tử sắt còn lại di chuyển và điều phối, làm tăng "mô-men lưỡng cực từ" tổng thể của toàn bộ pha alpha''(Fe16N2)
để đo lường, đội ngũ Jian-Ping Wang sử dụng một máy quang phổ lưỡng sắc tròn từ tính tia-X XMCD (X-ray magnetic circular dichroism) cho thấy nam châm sắt nitride có 2 biểu đồ phổ (fingerprint), và một máy quang phổ hấp thụ tia-X sử dụng các chùm tia-X được phân cực XANES (polarization dependent X-ray near edge spectroscopy)
soi vào những phần khác nhau của tinh thể, XANES so sánh hành vi những nguyên tử sắt ở gần và ở xa những cụm bát-diện, cho thấy những nguyên tử sắt gần cụm bát-diện đã bị "nhốt" không cho tự do di chuyển
giải thích lý do tại sao kết quả thí nghiệm khó được lặp lại, trạng thái "cụm + nguyên tử" rất mong manh: cần một tinh thể sắt bị "biến dạng" (strain) cho electron tự do dễ qua
Nhược điểm "cụm sắt nitride + nguyên tử sắt"
pha alpha''(Fe16N2) thiếu "lực kháng từ" (coercivity)
một nam châm vĩnh cửu sẽ cần giữ được "từ tính" khi tiếp xúc một lực từ trái-dấu hoặc thậm chí "từ trường" bên trong chính nó
sắt nitride rất dễ bị "khử từ"
neodymium-sắt-boron có "lực kháng từ" hơn 10 kilo Oersted trong khi sắt nitride đâu đó 1.29 đến 3 kilo Oersted tuỳ thuộc hình thù vật lý của nam châm... hạt nhỏ được phủ bởi những vật liệu khác thường có "lực kháng từ" tốt hơn
nhược điểm thứ 2 là cấu trúc tinh thể bất ổn
Fe16N2 phân rã ở 200-500 độ C thành sắt và Fe8N trong khi lực từ Fe16N2 suy giảm sớm hơn rất nhiều
một giải pháp là hợp kim với một nguyên tố thứ 3 như vanadi
nhược điểm thứ 3 là khó sản xuất
mô hình "cụm + nguyên tử" cho thấy khả năng sản xuất "biến dạng" mạng tinh thể, nhờ phương pháp lắng đọng, nhưng vẫn cần những quy trình, ví dụ thấm nitơ (nitrogenation)
Niron Magnetics
Niron nhận được đầu tư của các thực thể nổi tiếng như General Motors, Stellantis, Western Digital, Samsung và Volvo
Niron đang xây dựng nhà máy Minnesota dự kiến sản lượng 1.5 tấn nam châm 1 năm
năm 2025 doanh nghiệp tư vấn John Ormerod Consultants, LLC xuất bản bài đánh giá "Fe16N2 hype, hope or heavy hitter? A critical review" trên tạp chí Magnetic Society đã cho rằng nam châm sắt nitride đúng là có khả năng thương mại hoá, nhưng chỉ ở một số ứng dụng "ngách" không cần chịu nhiệt độ cao hoặc cần "lực kháng từ" lớn, ví dụ loa âm thanh nổi (stereo speaker)
theo John Ormerod Consultants, tiềm năng thương mại Fe16N2 ngang với nam châm vĩnh cửu Alnico chứ chưa thể sánh được neodymi-sắt-boron
sắt cô-ban, hợp kim sắt phosphide, tetrataenite là những nam châm không-đất-hiếm khác
