Открыты магнитные сверхатомы 18.08.2009

Новые сверхатомы – кластеры атомов, которые делят между собой электроны и могут имитировать поведение других элементов, – впервые получили магнитные свойства. Это открывает путь к созданию строительных наноблоков с управляемыми магнитными свойствами, что может быть полезно при постройке более быстрых процессоров и более ёмких накопителей.

Сверхатомы были обнаружены в 80-х годах прошлого века, когда Уолтер Найт (Walter Knigh) вместе с коллегами из Университета Калифорнии в Беркли обнаружил, что группы атомов натрия могут обмениваться между собой электронами. Электроны создают общую оболочку, и она ведёт себя так же, как внешние электроны обычных элементов, маскируя свою химическую сущность. Химики с тех пор обнаружили целый ряд других сверхатомов – в основном, это алюминиевые кластеры, которые вступают в реакции, подобно другим элементам, например, таким инертным газам, как гелий и аргон.

Подобная мимикрия может помочь в создании более эффективного топлива, поскольку алюминиевый порошок при сгорании выделяет большое количество энергии, но взаимодействует с другими элементами слишком быстро для того, чтобы быть пригодным для использования в практических целях в качестве компонента твёрдого топлива. В алюминиевых кластерах, которые ведут себя как инертный газ, металл может так скрываться до момента активации при сжигании топлива.

Однако до сих пор кластеры, которые копировали магнитные свойства других элементов, вызывали несколько большие затруднения при их создании. Магнетизм обуславливается спином электронов атома. Их результирующий спин определяется силой магнитного момента атома, потому они объединяются в пары для компенсации взаимного влияния, а неспаренные электроны вносят вклад в создание магнитного момента.

Неспаренные электроны, реагируя с другими в попытке завершить внешнюю орбиталь и стать стабильными, при этом создают атом или сверхатом. В результате мы получаем стабильность и магнетизм, которые долгое время считались взаимоисключающими свойствами. Команда во главе с Шивом Канна (Shiv Khanna) Университета содружества Виржинии (Virginia Commonwealth University) нашла путь решения проблемы.

Исследователи выяснили, что заключение атома ванадия в решётку из восьми атомов цезия приведёт к созданию стабильной электронной оболочки вокруг всего кластера. Такая конструкция позволит предотвратить вступление в связи неспаренных электронов ванадия, сохраняя его магнитные свойства. Этот механизм приведёт к получению магнитного момента пяти магнетон Бора, как у атома марганца. «Это открытие позволит расширить число доступных магнитных материалов», – говорит Канна. Причём число новых магнитных кластеров может быть очень велико, его команда учёных уже создала сверхатомы из ванадия, инкапсулированного в натрий, а также магния в золото.

В каждом случае кластер имеет магнитный момент и выстраивает электронную оболочку, делающую его стабильным. «Магнитные свойства и стабильность совместимы, они могут сосуществовать, – заявляет Роберт Уэттен (Robert Whetten), химик из Технологического института Джорджии, не принимавший участие в этом исследовании. – Это своего рода революция в процессе создания необходимых магнитных свойств».

Магнитные сверхатомы Канна пока подкреплены лишь расчётами, но при поддержке Департамента энергетики они станут реальностью. Он надеется, то кластеры смогут дать исследователям новый канал контроля при создании материалов. Например, стабильные магнитные кластеры могут однажды появиться в спинтронных устройствах, которые осуществляют вычисления и накопление данных за счёт свойств магнитного момента. Это позволит при декодировании данных использовать более компактные устройства и потенциально повысить их вычислительную способность.

newscientist.com