Дефект кристаллической решетки в графене ведет к удивительному магнетизму
 Визуализация дефекта кристаллической решетки графита в эксперименте. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Кристаллическая решетка одноатомного слой углерода - гексагональная двумерная - это вещество известно как графен. Фактически, это один единственный слой кристалла графита. Этот материал удивителен в первую очередь за счет скорости, с которой могут распространяться в нем носители тока. Благодаря двумерной структуре такого кристалла, электроны практически не задерживаются атомами углерода, т.е. ведут себя как релятивистские частицы, не имеющие массы покоя.
Однако, не только электронные свойства этого материала могут открывать новые двери в науке и технике. Теоретические расчеты показали, что дефекты кристаллической решетки графена (в первую очередь, такие как вакансии – узлы решетки, где атомы отсутствуют), могут дать материалу необычные магнитные свойства. Каждый такой дефект будет иметь границы в виде электронов из соседних атомов, внутри которых может существовать один единственный электрон (т.е. будет реализовано одно единственное специфическое квантовое состояние). Эти «конструкции» будут взаимодействовать с окружающим миром, как один единственный магнитный заряд. Но до сих пор практическое доказательство этого явления было лишь косвенным, т.к. экспериментальная техника позволяла измерить только суммарное (эффективное) воздействие всех дефектов в кристалле, но не одного единственного.
Недавно испанские ученые из Autonomous University (Мадрид, Испания) предложили новый метод исследования одной единственной вакансии при помощи сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). В своих экспериментах ученые использовали кристаллы графита, представляющие собой стеки листов графена (и, соответственно, подобные ему). Для образования дефектов в кристалле исследователи «бомбардировали» его ионами аргона. После чего над поверхностью было размещено острие сканирующего туннельного микроскопа и измерена проводимость между образцом и зондом.
На большом расстоянии от дефекта, ток через установку изменялся гладко с изменением приложенного напряжения, достигая нуля при нулевом напряжении. Но когда зонд достигал дефекта, проводимость изменялась скачкообразно. Исследователи утверждают, что этот скачок проводимости связан с дополнительным квантовым состоянием, параметры которого во многом совпадают с теоретическими предсказаниями.
Таким образом, ученые доказали, что в такой точке, по крайней мере в графите, может существовать эффективный единственный «магнитный заряд». Результаты своей работы исследователи опубликовали в журнале Physical Review Letters. Ученые полагают, что при наличии достаточного количества подобных «вакансий» электроны, существующие в них, могут формировать необычные магнитные свойства для всего листа, что может быть полезно для новых электронных устройств.
По словам руководителя группы, полученные данные открывают им путь для дальнейшего исследования ферромагнетизма в графене при высоких температурах. Ведь известно, что ферромагнитные свойства существуют у многих материалов, однако, они пропадают при определенной температуре, и у большинства веществ эта температура слишком низка, чтобы использовать магнетизм на практике. Теоретический расчет для графена, напротив, показывает, что его «критическая температура» может быть намного выше, чем у других магнитных полупроводников. Практическое доказательство этого факта могло бы открыть новые страницы в таком направлении, как спинтроника.
Также по теме:
- Физики проникают в тайну магнетизма графита
- Проектирование электронных свойств графена вместо их изучения
Источники: