Физики проникают в тайну магнетизма графита
Голландские физики подтвердили, что при комнатной температуре графит является постоянным магнитом, а также впервые определили температуру, при которой появляется его высокотемпературный ферромагнетизм.
Графит – одна из естественных структурных модификаций углерода, состоящая из отдельных кристаллических слоев. Графит хорошо проводит электрический ток, однако, магнитные свойства кристалла до сих пор были исследованы не до конца.
Ферромагнетизм графита был известен достаточно давно, однако, было не ясно, что является источником слабого магнитного поля, сформированного графитовым образцом. Некоторые ученые предполагали, что магнетизм мог исходить не от самого графита, а от слабой примеси в кристалле атомов металла.
Группа исследователей из Технологического Университета Эйндховена (Eindhoven University of Technology) и колледжа при Университете Наймегена (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах показала, что источником магнетизма графита являются дефекты между отдельными кристаллическими слоями. К такому выводу они пришли благодаря совмещению техник силовой магнитной микроскопии (magnetic force microscopy, MFM) и сканирующей туннельной микроскопии (scanning tunnelling microscopy, STM), позволившему измерять магнитные и электрические свойства с разрешением порядка нанометра.
Магнитная силовая микроскопия позволяет исследовать свойства именно поверхности графита (на эксперименте оцениваются магнитные силы между образцом и острием исследовательского инструмента). Для объемных измерений группа ученых использовала сверхпроводящий квантовый интерференционный магнетометр (superconducting quantum interference magnetometer, SQUID- magnetometer), - фактически, единственный прибор, позволяющий проводить столь точные магнитные измерения. Принцип действия прибора основан на идее интерференции измеряемого магнитного поля с неким известным магнитным полем.
Исследования показали, что идеальный кристалл графита, не содержащий дефектов, не является магнитом. Реальный графит состоит из отдельных фрагментов хорошо упорядоченных атомов углерода, разделенных между собой участками дефектов порядка 2 нм толщиной. Нидерландские ученые обнаружили, что электроны в «дефектных» областях ведут себя совсем не так, как в упорядоченных фрагментах. Поведение их больше напоминает электроны в ферромагнетиках, например, железе или кобальте. Таким образом, источником магнетизма графита явились вовсе не примеси, а особый характер поведения областей с отличной кристаллической структурой.
Так же было отмечено, что пограничные области в отдельных листах графита ведут себя как магнитные диполи; они связаны между собой, формируя двумерные магнитные сети. Эта связь объясняет тот факт, что графит является именно постоянным магнитом.
Кроме понимания магнетизма графита в принципе, обнаруженные закономерности могут дать свои ростки в развитии нанотехнологий. Новые знания позволят создавать биодатчики на основе углерода (ведь углерод и графит в частности хорошо совместимы с биологическими объектами).
В дальнейшей работе ученые планируют сосредоточить свое внимание на магнитных свойствах мономолекулярных слоев графита, графене, чтобы лучше понять обнаруженные явления. Венцом своей работы исследователи видят разработку законченной количественной теории связанного магнетизма.
