tynde lag af to ikke-magnetiske metaller – kobber og mangan – bliver magneter, når de er i kontakt med buckminsterfullerenmolekyler. Denne opdagelse er foretaget af fysikere i Storbritannien, USA og Sverige og kan føre til nye typer praktiske elektroniske enheder og endda kvantecomputere.
ferromagneter – såsom velkendte køleskabsmagneter – er materialer, der har permanente magnetiske øjeblikke. Der er kun tre metaller, der er ferromagnetiske ved stuetemperatur – jern, nikkel og kobolt – og dette forklares med hensyn til “Stoner-kriteriet”, som først blev afledt i 1938 ved University of Leeds af Edmund Stoner.
Stoner vidste, at magnetisme i metaller er en egenskab af ledningselektronerne. Disse elektroner er underlagt udvekslingsinteraktionen, der giver dem mulighed for at reducere deres energi ved at tilpasse deres spinmagnetiske øjeblikke i samme retning – hvilket skaber et ferromagnetisk metal. At have spins, der peger i samme retning, øger imidlertid elektronernes samlede kinetiske energi. Stoner indså, at ferromagnetisme kun vil forekomme, når reduktionen i energi forårsaget af udveksling er større end gevinsten i kinetisk energi. Kvantitativt viste han, at dette sker, når produktet af elektrondensiteten af tilstande (DOS) – antallet af energitilstande, der er tilgængelige for elektronerne – og styrken af udvekslingsinteraktionen (betegnet med U) er større end en.
giver U et løft
U kaldes Stoner – kriteriet, og det er større end et for jern, nikkel og kobolt, men ikke for deres naboer i det periodiske system-mangan og kobber. Nu har et internationalt team inklusive Fatma Al Ma ‘ Mari og Tim Moorsom fra University of Leeds i Storbritannien fundet en måde at øge DOS og udveksle interaktion i kobber og mangan, så de er ferromagnetiske ved stuetemperatur.
holdet lavede sine prøver ved at deponere flere skiftende lag af C60 og kobber (eller mangan) på et substrat. Kobberlagene var omkring 2,5 nm tykke og C60 lag omkring 15 nm tykke. C60 bruges, fordi den har en stor elektronaffinitet, hvilket betyder, at hvert molekyle vil tage op til tre ledningselektroner fra kobberet. Dette forventes at øge både DOS og styrken af udvekslingsinteraktionen i kobber.
holdet målte derefter magnetiseringen af de lagdelte prøver og fandt dem at være ferromagnetiske materialer. Forskerne kiggede også på prøver, hvor kobber-og C60-lagene blev adskilt af lag af aluminium og fandt ingen tegn på magnetisme, hvilket antyder, at ferromagnetisme forekommer ved grænsefladerne mellem kobber og C60. Dette blev bakket op af eksperimenter ved hjælp af muoner, som er dybdefølsomme og viste, at ferromagnetismen forekommer i kobberet tæt på C60-grænsefladen. Holdet fandt også stuetemperatur ferromagnetisme i C60 / manganlag, men med en svagere magnetisering.
kritisk felt
overraskende, da forskerne beregnede U for deres kobberprøver, fandt de, at det var mindre end en. Med andre ord skulle prøverne ikke have været ferromagnetiske i henhold til Stoner-kriteriet. Imidlertid antyder yderligere teoretiske undersøgelser, at prøverne skal blive ferromagnet, når de udsættes for et relativt lille magnetfelt – noget der ville være sket under forberedelsen af prøverne. Dette antyder, at andre ikke-magnetiske metaller kunne gøres ferromagnetiske ved at øge U, men ikke nødvendigvis helt til en.
selvom der er behov for yderligere arbejde for at øge styrken af kobber-og manganmagneterne, kan forskningen resultere i udvikling af nye typer små magnetiske komponenter. Disse kunne finde anvendelse i spintroniske enheder, der bruger elektronens spin til at gemme og behandle information, eller endda i kvantecomputere, hvor elektronspins bruges som kvantebits af information.
forskningen er beskrevet i Nature.