Объяснены магнитные свойства графита

Голландские физики подтвердили, что графит является постоянным магнитом при комнатной температуре, и впервые объяснили происхождение ферромагнетизма в графите. Их исследования могут оказаться важными в различных нанотехнологических и технических приложениях, таких как биодатчики, детекторы и спинтроника.

Графит состоит из слоев углерода (графена). Хотя ферромагнетизм в графите наблюдался и раньше, его происхождение было непонятно. Ученые полагали, что это может быть следствием малых примесей, содержащих железо, а не свойств самого углерода.

Теперь Кеес Флипсе (Kees Flipse) с коллегами из Эйдховенского университета технологии и Университета Радбуд (Radboud University) из Наймейгена показали, что магнетизм обусловлен дефектами, лежащими между слоями углерода. Они определили это с помощью магнитного силового микроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, измерив магнитные и электрические свойства материала с разрешением 1 нм.

Магнитный микроскоп сканировал поверхность очень острым зондом и измерял магнитное поле между образцом и зондом. Это позволило обнаружить ферромагнетизм в дефектах на поверхности графита. Для измерений внутри образца использовался сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (SQUID) – наиболее чувствительный на сегодня.

Графит состоит из хорошо упорядоченных областей атомов углерода, разделенных слоем дефектов шириной 2 нм. Исследователи обнаружили, что электроны в дефектах ведут себя иначе, чем в упорядоченных областях, а именно, подобно электронам в ферромагнетиках. Они также обнаружили, что регионы границ зерна в индивидуальных листах углерода имеют магнитную связь, образуя 2D-сети. Именно этой связью объясняются ферромагнитные свойства графита.

«Чистый, беспримесный кристалл графита не обладает свойствами постоянного магнита, но ситуация меняется, когда создаются дефекты в материале, - объясняет Флипсе. – Единичные дефекты в решетке графита ведут себя как магнитные диполи, подобно ферромагнетикам».

Кроме научного, магнитный графит может представлять интерес для техники и нанотехнологий. Например, он может быть использован в биодатчиках, поскольку углерод является биосовместимым. Он мог бы также проложить путь к спинтронике на основе углерода.