Одиночный атом переключает состояние нанопроволоки

Добавление или удаление всего лишь одного атома может полностью изменить магнитные свойства нанопроволоки. Об этом заявили исследователи из Германии, которые промоделировали эффект четности числа атомов на антиферромагнитных проволоках, помещенных на ферромагнитную поверхность. Это явление, свойственное только для наноструктур, может однажды быть использовано для изготовления переключателей в атомной шкале размеров или логических вентилей, составленных из магнитных нанопроволок.

Добавление или удаление одного атома из твердого тела, содержащего около 10 ²³ атомов, ничего не меняет, но это не так в случае наноструктур. В них магнитная структура может существенно меняться в зависимости от того, четное или нечетное число атомов они содержат.

Этот эффект наблюдается благодаря фрустрации, важному явлению в магнетизме, которое возникает, к примеру, при взаимодействии трех намагниченных ионов в антиферромагнетике, расположенных в вершинах треугольника: если два из них минимизируют энергию взаимодействия между собой, то третий не может минимизировать свою ни с одним из них.

Фрустрация наблюдалась между локальной антиферромагнитной структурой и располагающимся под ней ферромагнитным субстратом. Это происходило потому, что соседние атомы в проволоке предпочитали состояние с противоположно направленными спинами (как в антиферромагнетике), но этому препятствовала топология субстрата. В такой системе магнитное взаимодействие между соседними атомами является сильным, но магнитная структура как целое является «хрупкой», и небольшие изменения могут приводить к значительным отличиям.

Исследователи получили свои результаты, используя вначале квантово-химическую компьютерную симуляцию, базировавшуюся на усовершенствованной версии теории функционала плотности, за создание которой Уолтер Кон (Walter Kohn) и Джон Попл (John Pople) получили Нобелевскую премию по химии в 1998 г.

Теория функционала плотности была разработана для расчета электронной структуры систем многих частиц в квантовой механике и квантовой химии. В своем первоначальном виде она не предусматривала дополнительных изменяемых параметров. Изменяя силу магнитного взаимодействия внутри проволоки и между проволокой и субстратом, Самир Лунис (Samir Lounis) с коллегами из Института твердого тела в Юлихе смогли сконструировать фазовую диаграмму, из которой они предсказали, в каком месте проволоки проявляется эффект четности.

Эффект проявляется только в переключении магнитного состояния при добавлении или удалении атома. Как и другие приложения на базе изменения состояний, поведение, наблюдаемое при симуляции, могло бы быть полезным при построении логических вентилей на магнитных нанопроволоках. Это возможно благодаря тому, что возмущения, возникшие на конце проволоки, распространяются вдоль проволоки до тех пор, пока они не достигнут другого конца.