Недавние исследования физиков показали, что удаление одиночного атома из графитовой поверхности приводит к появлению локальных магнитных моментов в графите. В перспективе это может привести к созданию сверхлегких неметаллических биологически совместимых магнитов.

Ученые Мигель Югеда (Miguel Ugeda), Иван Брихега (Ivan Brihuega) и Хосе Гомес-Родригес (José Gómez-Rodríguez) из Автономного Университета Мадрида (Autonomous University of Madrid) совместно с Франциско Гвинеа (Francisco Guinea) из Института Материаловедения Мадрида (Institute of Materials Science of Madrid) смогли впервые превратить графит в материал с магнитными свойствами.

«Сегодня нанотехнологии все больше и больше входят в нашу жизнь. Графен уже используется в реальных электронных устройствах, – говорит Иван, – Сегодня мы узнали больше о том, как отдельные атомы влияют на физические свойства материала в целом».

В своей работе ученые использовали доработанную модель низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). С его помощью удалось создать отдельные атомные вакансии на поверхности графитовой пленки. Пиролитический графит, использованный в эксперименте, характеризовался пространственной последовательностью AB-AB. Это значит, что нижний слой графена В в составе графита был сдвинут на расстояние, равное половине атома углерода по отношению к верхнему слою А. Таким образом атом углерода в верхнем слое не имел «под собой» в нижних слоях такого же атома.

Также исследователям пришлось серьезно поработать над получением сверхчистого среза графита для эксперимента. На нем не должно было быть никаких посторонних примесей, и для этого ученые делали «спилы» образца в вакуумной камере.

Далее им удалось вытолкнуть один из атомов углерода, сформировав вакансию в слое. Это стало возможным благодаря низкоэнергетическому пучку ионов, которым Мигель и его коллеги воздействовали на верхний графеновый слой.

Рис. 1. 3D модель «магнитной» вакансии

С помощью доработанного СТМ ученые смогли наблюдать резонансные пики около предсказанного уровня Ферми для этого типа материала на месте вакансии. Ранее наблюдать это не удавалось никому из исследователей.

Как поясняют ученые, резонанс около вакансии может быть связан с магнитным моментом: вакансии вызывают одинаковое выстраивание спинов находящихся вблизи них электронов благодаря электрон-электронному взаимодействию. Также вакансии в разных местах графенового слоя вызывают разные значения магнитного момента, которые могут взаимодействовать друг с другом.

В обычных углеродных системах мы и не надеемся найти следы магнетизма из-за того, что все электронные пары связаны ковалентными связями. Однако при удалении одного атома ковалентная связь разрушается, оставляя локализованный неспаренный электрон, что и приводит к появлению локального магнитного момента», – поясняет Брихега.

Интересно то, что работа ученых не только полностью подтвердила теоретические модели, но и послужит перспективным материалом для дальнейших исследований и практического применения.

Таким образом можно создавать новый тип магнитов – неметаллических, недорогих и легких!

Подобные магниты могут стоить гораздо дешевле традиционных никелевых, и более того – они биологически совместимы, что отлично согласуется с философией медицинских имплантов», – подытожил Франциско.

О своей работе ученые сообщили в текущем выпуске Physical Review Letters.

Свидиненко Юрий