Фуллерены придают меди магнитные свойства

18 ноября 2015 г., 16:51

Тонкие слои двух немагнитных металлов – меди и марганца – становятся магнитными, когда они находятся в контакте с молекулами фуллерена. Это открытие было сделано физиками из Великобритании, США и Швейцарии и может привести к новым видам практических электронных устройств и даже к квантовым компьютерам.

Ферромагнетики, такие как знакомые магниты на холодильниках, это материалы, которые имеют постоянные магнитные моменты. Есть только три металла, которые являются ферромагнетиками при комнатной температуре, – железо, никель и кобальт, - и это объясняется в терминах «критерия Стоунера», который впервые был получен в 1938 году в Университете Лидса, Великобритания, Эдмундом Стоунером (Edmund Stoner).

Стоунер знал, что магнетизм в металлах является свойством электронов проводимости. Эти электроны участвуют в обменном взаимодействии, что позволяет им понизить свою энергию, установив спины в одном направлении, образуя тем самым ферромагнитный металл. Однако расположение спинов в одном направлении увеличивает общую кинетическую энергию электронов. Стоунер понял, что ферромагнетизм будет наблюдаться только тогда, когда уменьшение энергии, вызванное обменом, превышает прирост кинетической энергии. Он показал количественно, что это происходит, когда произведение плотности электронных состояний (количество энергетических состояний, доступных для электронов) и силы обменного взаимодействия (обозначаемое U) больше единицы.

U называется критерием Стоунера, и он больше единицы для железа, никеля и кобальта, но не для их соседей по периодической таблице - марганца и меди. Теперь международная команда, включающая Фатьму Аль Ма’Мари (Fatma Al Ma'Mari) и Тима Мурсома (Tim Moorsom) из Университета Лидса, нашла способ повысить плотность электронных состояний и силу обменного взаимодействия в меди и марганце, так что они становятся ферромагнетиками при комнатной температуре.

Команда сделала свои образцы путем осаждения нескольких чередующихся слоев С60 и меди (или марганца) на подложку. Медные слои были около 2,5 нм и слои C60 – около 15 нм. С60 используется потому, что он имеет большое сродство к электрону, что означает, что каждая молекула может захватить до трех электронов проводимости от меди. Как ожидается, это должно увеличить как плотность электронных состояний, так и силы обменного взаимодействия в меди.
Затем команда измерила намагниченность слоистых образцов и обнаружила, что они стали ферромагнитными материалами. Исследователи также рассмотрели образцы, в которых медь и слои C60 были разделены слоями алюминия, и не обнаружили никаких доказательств магнетизма, что предполагает, что ферромагнетизм возникает на стыке меди и C60. Это было подкреплено высокочувствительными экспериментами с использованием мюонов, которые показали, что ферромагнетизм возникает в меди вблизи границы с C60. Исследователи также обнаружили ферромагнетизм в слоях С60/марганца при комнатной температуре, но с более слабой намагниченностью.

Удивительно, что когда исследователи вычислили U для своих образцов меди, они обнаружили, что оно должно быть меньше 1. Другими словами, в соответствии с критерием Стоунера, образцы не должны были ферромагнитными. Однако дальнейшие теоретические исследования показывают, что образцы должны стать ферромагнетиками при воздействии относительно малого магнитного поля, что могло произойти при подготовке образцов. Это говорит о том, что другие немагнитные металлы могут быть сделаны ферромагнитнетиками при увеличении U, но не обязательно до 1.

Хотя необходима дальнейшая работа для увеличения намагниченности меди и марганца, исследования могут привести к разработке новых видов крошечных магнитных компонентов. Они могут найти применение в устройствах спинтроники, которые используют спин электрона для хранения и обработки информации, или даже в квантовых компьютерах, в которых спины электронов используются в качестве квантовых битов информации.

Фуллерены придают меди магнитные свойства