У фуллерена C60 нашли неожиданно большой магнетизм

Австрийские физики пропустили через материальноволновой интерферометр Тальбота — Лау атомы цезия, молекулы органического радикала и несколько различных фуллеренов. Отклонение Штерна — Герлаха позволило им оценить магнитные свойства всех частиц. В результате авторы нашли не наблюдавшийся ранее сильный магнетизм у фуллерена C60, который они объяснили вращением этой молекулы как единого целого. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Исследование магнетизма отдельных атомов сыграло важную роль в становлении современной квантовой механики. Поворотным моментом в этой истории стали опыты, описанные Отто Штерном и проведенные Вальтером Герлахом. В этих экспериментах атомы серебра летели через неоднородное магнитное поле. Согласно классической картине мира, магнитный момент атома, связанный с вращением электронов по своим орбитам, может быть ориентирован любым образом, и потому атомы должны непрерывно распределяться по экрану. Вместо этого на экране образовывались лишь дискретный набор точек, что доказывало квантование орбитального момента, а также существование квантованного спина.

Квантовая механика спинов оказалась очень плодотворным направлением. Она смогла объяснить не только магнитные свойства одиночных частиц, но и магнитные явления в конденсированных средах, такие как ферромагнетизм. Вместе с тем механизм Штерна — Герлаха и по сей день остается удобным рабочим инструментом экспериментаторов. С его помощью физики разделяют спиновые состояния в бозе-конденсате и предлагают производить спин-поляризованную метастабильную материю. Отклонение траектории частиц в пространстве под действием магнитных градиентов нашло применение в интерферометрии волн материи. Такие интерферометры рассматриваются учеными как точные сенсоры, чувствительные к свойствам среды, в которой летят частицы.

Теперь же физики из Венского университета под руководством Маркуса Арндта (Markus Arndt) пошли дальше и применили материальноволновую интерференцию для измерения магнитных свойств самих частиц. Они использовали интерферометр в схеме Тальбота — Лау с встроенным градиентом магнитного поля, через который пропускали пучки частиц самого разного размера и форм, начиная от атомов и заканчивая фуллеренами. В последнем случае ученые зафиксировали необычный магнитный отклик, который был объяснен с помощью квантового вращения молекулярных многогранников.

Интерферометр Тальбота — Лау состоит из трех дифракционных решеток. Первая служит для формирования массива точечных волновых источников, излучение от которых дифрагирует на второй решетке. В отличие от большинства спектрометров, где физики имеют дело с дифракцией Фраунгофера, то есть с излучением в дальнем поле, схема Тальбота — Лау использует сложную интерференционную картину (ее еще называют «ковром Тальбота») в ближнем поле. Важно, что на некотором расстоянии от второй дифракционной решетки «ковер Тальбота» формирует ее изображение, которое считывает третья решетка, двигающаяся в фокальной плоскости.

В силу специфики работы с различными типами частиц, отдельные элементы схемы, построенной физиками, были различны. Для работы с атомами они использовали наномеханические решетки с периодом 266 нанометров, в то время как для молекул больше подходили оптические решетки, формируемые лазером на длине волны 532 нанометра. Источники неоднородного магнитного поля, размещаемые между второй и третьей решетками, также разнились: для атомов подошли катушки в конфигурации антигельмгольца, для молекул же авторы использовали постоянные магниты.

Всего физики исследовали пять типов частиц: атомы цезия-133, органические радикалы TEMPO и фуллерены C60, C70 и ¹²C69¹³С, последний из которых содержал неспаренный ядерный спин в изотопе. Исследование заключалось в построении кривой видности интерференционной картины в зависимости от градиента магнитного поля, который регулировался током в случае атомов и положением магнитов в случае молекул. Для каждого опыта ученые старались построить модель магнетизма частиц, описывающих экспериментальную кривую.

Так, атомная теория основывалась на расщеплении энергетических уровней в магнитном поле (эффект Зеемана), из-за чего состояния с различной проекцией полного момента (а, следовательно, и проекцией магнитного момента) приобретали различную фазу. Поведение радикалов хорошо описалось промежуточной моделью, которая учитывала как магнитный момент неспаренного электрона, так и магнитный момент, наведенный полем.

Фуллерен C70 продемонстрировал диамагнитное отклонение, в то время как его изотопический аналог показал более сильный отклик благодаря неспаренному спину. Однако, сильнее всех удивил физиков фуллерен C60, чей отклик оказался на два порядка больше, чем того предписывал механизм, основанный только на его диамагнитном эффекте. Оказалось, что увиденное можно объяснить, если учесть механическое вращение фуллерена как единого целого вокруг оси, совпадающей с направлением поля. В этом случае углеродный шарик демонстрирует магнитный момент, примерно равный 6,6 ядерного магнетона. Примечательно, что для вытянутых фуллеренов C70 эффект отсутствует из-за наличия дополнительной оси, связанной с симметрией молекулы. Усреднение по ней сильно редуцирует соответствующий вращательный фактор Ланде, поэтому магнетизм таким молекул слабее.

Ранее эта же группа использовала схему Тальбота — Лау, чтобы увидеть квантовую интерференцию молекул пептидов, а их коллеги из Италии и Швейцарии — квантовую интерференцию антиматерии.

Марат Хамадеев