Фуллерены помогли сделать медь и марганец ферромагнетиками

Коллектив ученых из Великобритании, США и Швейцарии преодолел критерий Стонера для меди и марганца и получил эти металлы в ферромагнитном состоянии при комнатной температуре. Это оказалось возможным благодаря электронным взаимодействиям на границе раздела металла и пленки фуллеренов C₆₀. Работа опубликована в Nature.

Авторы синтезировали «сэндвичи», состоящие из слоев переходного металла (меди или марганца) и фуллеренов C₆₀, при этом толщина слоев и их число варьировалось. В таких системах возникали взаимодействия электронной структуры фуллеренов и 3d электронов металла, что приводило к изменению электронных состояний металлов на границе раздела.

Ученые измеряли намагниченность такой системы и обнаружили, что металлы в «сэндвиче» находились в ферромагнитном состоянии, то есть демонстрировали гистерезис и функционировали как постоянные магниты. Если между переходным металлом и фуллереном помещали слой алюминия/оксида алюминия — эффект пропадал, и марганец оставался парамагнетиком, а медь — диамагнетиком.

При изменении толщины слоев с сохранением общего объема материала оказывалось, что намагниченность возрастает с увеличением числа границ раздела, но падает с увеличением толщины металла. Авторы объясняют это тем, что в объеме металла электронная структура перестает «чувствовать» пленку фуллеренов и возвращается к своему нормальному состоянию, поэтому необычные ферромагнитные свойства пропадают.

В норме при комнатной температуре из чистых элементов только железо, кобальт и никель являются ферромагнетиками. Даже марганец, несмотря на очень близкую к железу электронную структуру, проявляет парамагнитные свойства. Параметр, определяющий границу возникновения ферромагнетизма, — это произведение коэффициента обменного взаимодействия и плотности состояний на уровне Ферми. Согласно критерию Стонера, если эта величина превышает единицу, вещество будет проявлять ферромагнитые свойства.

Авторы предполагают, что полученные ими структуры могут найти применение при создании магнитных метаматериалов. Так как электронные свойства в описанных системах связаны с толщиной и количеством слоев, это позволяет точно контролировать и управлять поляризацией спинов и намагниченностью, что важно для разработки новых электронных устройств.