Исследовательская группа из Германии, России и Китая нашла способ управления электронными состояниями молекул эндоэдрального фуллерена.

Предположительно, предложенная техника может применяться и для других молекул. По мнению ученых, методика уже сейчас может быть полезна на практике, в частности, она позволит глубже исследовать спиновый транспорт в наноустройствах.

Фуллерены – одна из аллотропных форм углерода, структура которой представляет собой эллипсоиды, составленные из отдельных пяти- или шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы. Наиболее распространенным фуллереном считается C60, содержащий в себе 60 отдельных атомов; однако, встречаются и более массивные структуры.

Эндоэдральный фуллерен представляет собой молекулы, имеющие внутри сферы (эллипсоида) некие дополнительные ионы или атомы. «Внутренние» атомы могут относиться к металлам – и тогда подобную эндоэдральную структуру называют металлофуллереном. «Оболочка» таких «металлических» фуллеренов чаще всего состоит из 80, 82, 84 или более атомов.

Объектом исследований совместной группы ученых из Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (Германия), Московского Государственного Университета, а также University of Science and Technology (Китай) стал эндоэдральный фуллерен, содержащий внутри своей структуры одновременно два металла: титан и скандий (формула изучаемой молекулы: TiSc2N@C80).

В результате исследований было обнаружено, что, если один из металлов в данной конфигурации является переходным (в данном случае роль переходного металла исполняет титан), то плотность электронных состояний локализована в металле. Команда также обнаружила, что производя со всей молекулой эндоэдрального фуллерена операции окисления и восстановления (методами электрохимии), можно изменить и степень окисления титана. Все вместе эти факты означают, что электрохимические методики вполне могут служить для «настройки» электронных состояний эндоэдрального фуллерена.

И это далеко не все обнаруженные явления. Известно, что эндоэдральная группа может вращаться внутри фуллерена; это приводит к достаточно гибкому распределению электронной плотности TiSc2N@C80. При этом распределение электронной плотности может меняться достаточно быстро (исследователи назвали этот процесс потоком спина). Наблюдать за ним можно при помощи динамического моделирования, результатом которого является получение спектра потока спина. Эта теоретическая методика позволяет доказать, что некоторые из вращений имеют особое значение для транспорта спина в молекуле.

Ученые уверены, что предложенной теоретической методикой можно исследовать не только эндоэдральные фуллерены, но и любые другие молекулы. Кроме того, техника может быть полезна для изучения транспорта спина в молекулярных устройствах, где значительную роль играют магнитные свойства используемых материалов. Подробно результаты работы изложены в журнале ACS Nano.

В ближайшее время международная группа планирует получить аналогичные спектры на реальных экспериментах. Кроме того, продолжатся исследования других молекул, что даст более глубокие представления о методике в целом.

По материалам: