tunna lager av två icke-magnetiska metaller – koppar och mangan – blir magneter när de är i kontakt med buckminsterfullerenmolekyler. Denna upptäckt har gjorts av fysiker i Storbritannien, USA och Schweiz och kan leda till nya typer av praktiska elektroniska enheter och till och med kvantdatorer.
ferromagneter-som kända kylmagneter – är material som har permanenta magnetiska moment. Det finns bara tre metaller som är ferromagnetiska vid rumstemperatur – järn, nickel och kobolt – och detta förklaras i termer av ”Stoner-kriteriet”, som först härleddes 1938 vid University of Leeds av Edmund Stoner.
Stoner visste att magnetism i metaller är en egenskap hos ledningselektronerna. Dessa elektroner är föremål för växelverkan som gör det möjligt för dem att minska sin energi genom att anpassa sina spinnmagnetiska ögonblick i samma riktning – vilket skapar en ferromagnetisk metall. Att ha snurr som pekar i samma riktning ökar emellertid elektronernas totala kinetiska energi. Stoner insåg att ferromagnetism endast kommer att inträffa när minskningen av energi orsakad av utbyte är större än vinsten i kinetisk energi. Kvantitativt visade han att detta inträffar när produkten av tillståndets elektrondensitet (DOS) – antalet energitillstånd som är tillgängliga för elektronerna – och styrkan i utbytesinteraktionen (betecknad med U) är större än en.
ger U en boost
u kallas Stoner kriteriet, och det är större än en för järn, nickel och kobolt men inte för sina grannar i det periodiska systemet – mangan och koppar. Nu har ett internationellt team inklusive Fatma Al Ma ’ Mari och Tim Moorsom vid University of Leeds i Storbritannien hittat ett sätt att öka DOS och utbyta interaktion i koppar och mangan så att de är ferromagnetiska vid rumstemperatur.
teamet gjorde sina prover genom att deponera flera alternerande lager av C60 och koppar (eller mangan) på ett substrat. Kopparskikten var cirka 2,5 nm tjocka och C60-skikten cirka 15 nm tjocka. C60 används eftersom den har en stor elektronaffinitet, vilket innebär att varje molekyl tar upp till tre ledningselektroner från koppar. Detta förväntas öka både DOS och styrkan i utbytesinteraktionen i koppar.
teamet mätte sedan magnetiseringen av de skiktade proverna och fann att de var ferromagnetiska material. Forskarna tittade också på prover där koppar-och C60-skikten separerades av aluminiumskikt och fann inga bevis på magnetism, vilket tyder på att ferromagnetism uppträder vid gränssnitten mellan koppar och C60. Detta backades upp av experiment med muoner, som är djupkänsliga och visade att ferromagnetismen förekommer i koppar nära C60-gränssnittet. Teamet fann också rumstemperaturferromagnetism i C60 / manganskikt, men med en svagare magnetisering.
kritiskt fält
överraskande, när forskarna beräknade U för sina kopparprover, fann de att det var mindre än en. Med andra ord borde proverna inte ha varit ferromagnetiska enligt Stoner-kriteriet. Ytterligare teoretiska undersökningar tyder dock på att proverna skulle bli ferromagnet när de utsätts för ett relativt litet magnetfält – något som skulle ha hänt under beredningen av proverna. Detta tyder på att andra icke-magnetiska metaller kan göras ferromagnetiska genom att öka U men inte nödvändigtvis hela vägen till en.
även om ytterligare arbete behövs för att öka styrkan hos koppar-och manganmagneterna, kan forskningen leda till utveckling av nya typer av små magnetiska komponenter. Dessa kan hitta användning i spintronic-enheter, som använder elektronens snurr för att lagra och bearbeta information, eller till och med i kvantdatorer där elektronspinn används som kvantbitar av information.
forskningen beskrivs i Nature.