Ученые рассмотрели спиновое состояние отдельного атома

Ученые из Японии и Тайваня смогли экспериментально проследить за спиновым состоянием «одноатомных магнитов» — отдельных атомов железа или хрома, встроенных в графеновую решетку. Авторы считают, что их результаты могут найти применение не только в спинтронике и фундаментальной физике, но и в биологии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней сообщает журнал Physics.

Спин электрона — квантовая характеристика (собственный момент импульса), которая порождает дополнительный магнитный момент, то есть приводит к дополнительному взаимодействию (по сравнению с классической электродинамикой) с магнитным полем. Электроны в атоме располагаются на определенных энергетических уровнях, которые носят название орбиталей. При этом на одной орбитали может располагаться только два электрона с противоположными спинами (согласно принципу Паули), если на ней есть только один, то он называется неспаренным. Некоторые орбитали являются вырожденными по энергии — это значит, что есть несколько пространственно-разделенных состояний с одинаковой энергией. Тогда в каждом из таких «состояний» также может находиться только два спаренных электрона.

Атомы или ионы проявляют магнитные свойства — обладают ненулевым магнитным моментом — если на их внутренней незаполненной орбитали есть неспаренные электроны, то есть суммарный спин такой системы не равен нулю. Поэтому многие переходные элементы являются «магнитными» — у них как раз происходит заполнение внутренней 3d-орбитали, при этом внешняя 4s-орбиталь может быть частично или полностью заполнена.

Поиск новых перспективных способов «замораживания» и переключения спиновых состояний отдельных атомных или магнитных образований — основная задача спинтроники. Однако для того, чтобы отдельный атом выступал как элементарная единица информации, от него требуется достаточно сильный сигнал — а, значит, максимально возможный магнитный момент. То есть атом (или ион) должен находиться в так называемом высокоспиновом состоянии, когда максимальное количество электронов на его оболочке неспарены. Такие «одноатомные магниты» стали бы не только перспективными «битами» для применения в спинтронике, но и идеальными объектами для изучения квантовых состояний в отдельных атомах.

Авторы данной работы решили реализовать идею «одноатомных магнитов» на практике. Для этого они создали дыры в графеновом слое, в которые затем встроили атомы железа или хрома. Чтобы создать разное химическое окружение для «магнитного атома», ученые использовали три разных способа «пробивания» дыр — 1) электронный пучок, тогда вакансия окружена только атомами углерода, 2) озоновая плазма, которая приводит к присоединению кислорода к вакансии, 3) озоново-азотная плазма, которая преимущественно «встраивает» в вакансии азот. Разное химическое и геометрическое окружение «магнитного атома» может приводить к его разным спиновым состояниям, а значит, к разным магнитным моментам. Авторы работы хотели выяснить, как именно соотносится тип окружения и спиновое состояние "одноатомного магнита«.

Для визуализации поверхности графенового слоя и вакансий в нем ученые использовали просвечивающий растровый электронный микроскоп (ПРЭМ), с помощью которого при определенных условиях можно «разглядеть» даже атомную структуру ультратонких (меньше 0,1 мкм) образцов. Принцип его действия основан на взаимодействии электронного пучка микроскопа с веществом. Поскольку электроны по-разному взаимодействуют с разными элементами, из полученных данных можно извлечь не только информацию о структуре, но и о химическом составе образца.

Для наблюдения за спиновыми состояниями отдельных атомов авторы использовали специальное устройство, встроенное в микроскоп — спектрометр характеристических потерь энергии электронами. Он позволяет по разнице энергий электронов первичного и провзаимодействовавшего пучка разделить высоко- и низкоспиновое состояние. Поскольку устройство встроено в просвечивающий микроскоп, эти данные имеют еще и пространственное разрешение. Ученые следили за тем, чтобы наблюдаемые встроенные "магниты" находились на достаточно большом расстоянии друг от друга, чтобы исключить взаимодействие между их магнитными моментами.  

Результаты измерений говорят о том, что переходный металл (железо или хром) соединяется с четырьмя атомами углерода или азота, образующими квадратное окружение. При этом высокоспиновое состояние реализуется в случае углеродного окружения, для азотного значения оказываются меньше. Ученые объясняют это процессами смещения электронных пар от атомов азота к переходному металлу, которые приводят к дополнительному спариванию электронов и понижению суммарного спина.

Если в вакансии присутствует кислород, между ней и переходным металлом (эти измерения проводили только с хромом) образуется ковалентная связь. Из-за этого электрон с хрома смещается в сторону кислорода, степень окисления металла повышается, и в этом случае повышается и его спиновое состояние.

Таким образом, высокоспиновые состояния в таких «одноатомных магнитах» реализуются в случае углеродного окружения или если в вакансии есть атом кислорода. Если окружение металла состоит из атомов азота, реализуется более низкоспиновое состояние. Первый случай ученые планируют использовать для создания спинтронных устройств, где необходимы высокие значения магнитного момента. Изучение же низкоспиновых состояний может оказаться полезным для понимания таких биологических процессов как фотосинтез, дыхание и многих других, поскольку в таких молекулах как гемоглобин, хлорофилл, порфирины и фталоцианины как раз присутствуют структурные элементы с переходными металлами в квадратном азотном окружении.

Екатерина Козлякова