két nem mágneses fém vékony rétegei-réz és mangán – mágnesekké válnak, amikor érintkeznek a buckminsterfullerén molekulákkal. Ezt a felfedezést fizikusok tették az Egyesült Királyságban, az Egyesült Államokban és Svájcban, és új típusú gyakorlati elektronikus eszközökhöz, sőt kvantumszámítógépekhez vezethet.
a ferromágnesek – mint például az ismert hűtőmágnesek – olyan anyagok, amelyek állandó mágneses momentumokkal rendelkeznek. Csak három olyan fém van, amely szobahőmérsékleten ferromágneses-vas, nikkel és kobalt–, és ezt a “Stoner-kritérium” magyarázza, amelyet először 1938-ban a leedsi egyetemen Edmund Stoner vezetett le.
Stoner tudta, hogy a fémek mágnesessége a vezető elektronok tulajdonsága. Ezek az elektronok a csere kölcsönhatásnak vannak kitéve, amely lehetővé teszi számukra, hogy csökkentsék energiájukat azáltal, hogy a spin mágneses momentumaikat ugyanabba az irányba igazítják – ezáltal ferromágneses fémet hoznak létre. Ha azonban ugyanabba az irányba forog, az növeli az elektronok teljes kinetikus energiáját. Stoner rájött, hogy a ferromágnesesség csak akkor következik be, ha a csere által okozott energiacsökkentés nagyobb, mint a kinetikus energia nyeresége. Kvantitatívan kimutatta, hogy ez akkor fordul elő, ha az állapotok elektronsűrűségének (DOS) – az elektronok számára elérhető energiaállapotok számának – szorzata és a csere-kölcsönhatás erőssége (U-val jelölve) nagyobb, mint egy.
az U lökést
U – t Stoner-kritériumnak nevezzük, és nagyobb, mint egy vas, nikkel és kobalt esetében, de a periódusos rendszerben lévő szomszédaik-a mangán és a réz-esetében nem. Most egy nemzetközi csapat, köztük Fatma Al Ma ‘ Mari és Tim Moorsom, a Leeds Egyetem, Az Egyesült Királyságban, megtalálta a módját, hogy növeljék a DOS-t és kicseréljék a réz és a mangán kölcsönhatását, hogy szobahőmérsékleten ferromágneses legyen.
a csapat úgy készítette el a mintákat, hogy több váltakozó C60 és réz (vagy mangán) réteget rakott le egy hordozóra. A rézrétegek körülbelül 2,5 nm, a C60 rétegek pedig körülbelül 15 nm vastagok voltak. A C60-at azért használják, mert nagy elektron-affinitással rendelkezik, ami azt jelenti, hogy minden molekula legfeljebb három vezető elektronot vesz fel a rézből. Ez várhatóan növeli mind a DOS-t, mind a rézcsere-kölcsönhatás erősségét.
ezután a csoport megmérte a réteges minták mágnesezettségét, és ferromágneses anyagoknak találták őket. A kutatók olyan mintákat is megvizsgáltak, amelyekben a réz és a C60 rétegeket alumíniumrétegek választották el egymástól, és nem találtak bizonyítékot a mágnesességre, ami arra utal, hogy ferromágnesesség fordul elő a réz és a C60 közötti interfészeken. Ezt alátámasztották a mélységérzékeny müonokkal végzett kísérletek, amelyek azt mutatták, hogy a ferromágnesesség a rézben a C60 interfész közelében fordul elő. A csapat szobahőmérsékletű ferromágnesességet is talált C60 / mangán rétegekben, de gyengébb mágnesezéssel.
kritikus mező
meglepő módon, amikor a kutatók kiszámították az U-t a rézmintáikra, azt találták, hogy kevesebb, mint egy. Más szavakkal, a mintáknak nem kellett volna ferromágnesesnek lenniük a Stoner kritérium szerint. További elméleti vizsgálatok azonban azt sugallják, hogy a mintáknak ferromágnessé kell válniuk, ha viszonylag kis mágneses mezőnek vannak kitéve – ami a minták előkészítése során történt volna. Ez arra utal, hogy más nem mágneses fémeket ferromágnesessé lehet tenni az U fokozásával, de nem feltétlenül egészen az egyikig.
bár további munkára van szükség a réz és mangán mágnesek erősségének növeléséhez, a kutatás új típusú apró mágneses alkatrészek kifejlesztését eredményezheti. Ezek megtalálhatók a spintronikai eszközökben, amelyek az elektron spinjét használják az információk tárolására és feldolgozására, vagy akár olyan kvantumszámítógépekben is, amelyekben az elektron spineket kvantum információ bitként használják.
a kutatást a Nature írja le.