графит в магнитном поле
Графен может быть магнитом
Недавно знаменитый материал графен, открытый несколько лет назад российскими физиками, обнаружил у себя еще одно уникальное свойство. Оказывается, он может при определенных условиях становиться ферромагнетиком. Получается, что из графена действительно можно изготовлять спиновые транзисторы — основу электроники и вычислительной техники будущего.
Интересно, что эту способность у материала обнаружил один из его «отцов», Андрей Константинович Гейм. Или, если выражаться точнее, сэр Гейм — ведь 31 декабря прошлого года указом британской королевы Елизаветы II ему и его коллеге Константину Новоселову, который также является первооткрывателем графена, было присвоено рыцарское звание. Ну, а в нынешнем исследовании у сэра Гейма тоже был соавтор — его супруга Ирина Григорьева, которая, как и сам Андрей Константинович, является сотрудником Манчестерского университета.
Следует заметить, что теоретические работы, в которых была предсказана возможность графена проявлять магнитные свойства, появились еще год назад. Их авторы считали, что графен, как и многие другие соединения углерода, вполне способен стать ферромагнетиком. Напомню, что ферромагнетиками считаются вещества, которые при температуре ниже точки Кюри (температура, при которой изменяется строение кристаллической решетки) способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Как вы помните, графен является двумерной аллотропной модификацией углерода, образованной слоем атомов данного элемента толщиной во всего лишь один атом (что делает его одновременно самой тонкой и самой прочной в мире пленкой). Такая структура, по идее, не должна сама по себе проявлять свойства ферромагнетика. Однако некоторые физики говорили о том, что если заменить в графене некоторые атомы углерода на таковые фтора или убрать ряд атомов, создав пустоты в пленке (которые называются «вакансиями»), то может произойти упорядочивание магнитных моментов всех атомов структуры и вещество станет магнитом.
Сэр Гейм и его супруга, ознакомившись с этими трудами, решили проверить оба способа. В первой серии экспериментов в графен были добавлены атомы фтора. Во второй ученые создали в пленке эти самые «вакансии». После чего образцы подвергли охлаждению до точки Кюри, которая в данном случае была достижима при гелиевой температуре (то есть при температуре, ниже которой гелий становится жидким веществом, это происходит в районе четырех градусов Кельвина).
В результате этих опытов в обоих случаях графен превратился хоть в слабенький, но, тем не менее, магнит. После этого исследователи, проанализировав результаты, поняли, почему все предшествующие попытки намагнитить это вещество окончились неудачей (хотя предшественники Андрея Константиновича действовали по той же схеме). Оказывается, нужно было соблюдать меру и не перебарщивать ни с фторированием, ни с «вакансиями». Если атомов фтора будет добавлено много, то они расположатся слишком близко друг к другу и их взаимодействие уничтожит эффект магнита. Ну, а слишком большое количество «вакансий» просто рассыплет графеновую пленку, и она перестанет существовать как единое целое.
Теперь сэр Гейм и его супруга утверждают, что их открытие делает графен очень перспективным материалом для будущего использования в спинтронике — новой технологии, которая, как сегодня считают, в скором времени начнет заменять менее быструю электронику. Основное ее отличие от электроники заключается в том, что здесь идет управление не только зарядом электрона или других токопроводящих частиц, но и его магнитным моментом — спином. И основными материалами, из которых будут состоять спинтронные приборы, будут как раз ферромагнетики — ведь именно в них достигаются значительно более высокие (до 100 процентов), чем в металлах (до 10 процентов) уровни спиновой поляризации.
Напомню, что спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены). Обычно электроны в веществе пребывают в неполяризованном состоянии — и тех, что со спином вверх, и других, чей спин направлен вниз, всегда примерно поровну.
Однако если их поляризовать, то получится ток, создаваемый электронами с однонаправленными спинами (спиновый ток). Итак, для получения подобного тока нужно поляризовать спины так, чтобы они были упорядочены в одном направлении. Это достаточно быстро достигается в том случае, если к ферромагнетику приложить внешнее магнитное поле. Важно также, чтобы еще и время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.
Получается, что если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле. И в этом большое преимущество спиновых устройств — переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания.
Кроме того, при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется и, значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды). Таким образом, спинтронный прибор совсем не будет требовать охлаждения.
Считается, что спиновые приборы будут многофункциональны — они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа. Кроме того, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники.
Все это говорит о том, что в перспективе спинтронные приборы могут стать основой для ЭВМ нового поколения — квантовых компьютеров. Но чтобы это стало возможно, необходимо создать ключевые элементы «спиновых микросхем» — спиновые транзисторы, то есть устройства, в которых можно усиливать, ослаблять или выключать спиновый ток. А на базе спинового транзистора уже будут создаваться новые компьютерные процессоры, сенсоры, программируемые логические устройства и энергонезависимая быстродействующая память высокой плотности.
Ученые уже пробовали создавать спиновые транзисторы, используя такие вещества, как арсенид галлия GaAs, оксид цинка ZnO, сульфид кадмия CdS, а также ферромагнетик, имеющий слоистую структуру «Co84Fe16 — кремний — ферромагнетик Ni80Fe20 — кремний с примесями». Но все они не давали полного эффекта поляризации — удалось добиться лишь сохранения спиновой поляризации в течение длительного времени у 37 процентов электронов при температуре минус 73 градуса по Цельсию.
По мнению же Андрея Константиновича, если для таких транзисторов использовать графен, то можно будет добиться куда более лучших результатов (практически 100 процентов спиновой поляризации). И теперь, когда ему и его супруге удалось доказать, что это вещество может быть ферромагнетиком, графеновые спиновые транзисторы смогут стать реальностью уже в самом ближайшем будущем…
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Что такое диамагнетизм и диамагнитные материалы
Диамагнитные материалы отталкиваются магнитным полем, приложенное магнитное поле создает в них индуцированное магнитное поле в противоположном направлении, вызывая силу отталкивания. Напротив, парамагнитные и ферромагнитные материалы притягиваются магнитным полем. В диамагнитных материалах магнитный поток уменьшается, а в парамагнитных материалах магнитный поток увеличивается.
Явление диамагнетизма было открыто Зебальдом Юстинусом Бругмансом, который в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются магнитными полями. Термин диамагнетизм был введен Майклом Фарадеем в сентябре 1845 года. Он понял, что все материалы на самом деле обладают своего рода диамагнитным действием на внешние магнитные поля.
Диамагнетизм, вероятно, является наименее известной формой магнетизма, несмотря на то, что диамагнетизм встречается почти во всех веществах.
Мы все привыкли к магнитному притяжению из-за того, насколько распространены ферромагнитные материалы и потому, что они обладают огромной магнитной восприимчивостью. С другой стороны, диамагнетизм почти неизвестен в повседневной жизни, потому что в целом диамагнитные материалы обладают очень малой восприимчивостью и, следовательно, силами отталкивания почти пренебрежимо мало.
Явление диамагнетизма — это прямое следствие действия сил Ленца, возникающих при помещении вещества в пространство, где имеются магнитные поля. Диамагнитные вещества вызывают ослабление любого внешнего магнитного поля, в котором они находятся. Вектор поля Ленца всегда направлен противоположно вектору поля, приложенного извне. Это справедливо для любого направления независимо от ориентации диамагнитного тела относительно приложенного поля.
Любое тело, изготовленное из диамагнитного материала, не только ослабляет внешнее поле из-за влияния противодействия Ленца, но испытывает также действие определенной силы, если внешнее поле неравномерно в пространстве.
Эта сила, зависящая от направления градиента поля и не зависящая от направления самого поля, стремится переместить тело из области относительно сильного магнитного поля в область более слабого поля — туда, где изменения электронных орбит будут минимальны.
Механическая сила, действующая на диамагнитное тело в магнитном поле, является мерой атомных сил, стремящихся удержать орбитальные электроны на сферических орбитах.
Все вещества являются диамагнитными, поскольку их элементарные составные части — это атомы с орбитальными электронами. Некоторые вещества создают как поля Ленца, так и спиновые поля. Вследствие того что спиновые поля обычно намного сильнее, чем поля Ленца, при возникновении полей обоих типов, как правило, преобладают эффекты, обусловленные спиновыми полями.
Диамагнетизм, являющийся результатом изменения электронных орбит, обычно бывает слабо выражен, так как локальные поля, воздействующие на отдельные электроны, намного сильнее, чем приложенные внешние поля, стремящиеся изменить орбиты всех электронов. Поскольку изменения орбиты малы, связанное с этими изменениями противодействие Ленца также невелико.
В то же время диамагнетизм, обусловленный случайным движением элементов плазмы, проявляется значительно сильнее, чем диамагнетизм, связанный с изменением электронных орбит, так как ионы и электроны плазмы не испытывают действие больших сил связи. В этом случае относительно слабые магнитные поля существенно изменяют траектории частиц.
Диамагнетизм множества отдельных микроскопических частиц, движущихся по траекториям различных видов, можно рассматривать как результат влияния эквивалентного контура тока, окружающего тело, вещество которого содержит эти частицы. Измерение этого тока позволяет дать количественную оценку диамагнетизма.
Некоторые примеры диамагнитных материалов: вода, металлический висмут, водород, гелий и другие благородные газы, хлорид натрия, медь, золото, кремний, германий, графит, бронза и сера.
В целом, диамагнетизм практически не заметен, за исключением так называемых сверхпроводников. Здесь диамагнитный эффект настолько силен, что сверхпроводники даже парят над магнитом.
Это означает, что в присутствии магнитного поля материал намагничивается, создавая противоположное магнитное поле, в результате чего материал отталкивается источником магнитного поля. Это противоположно тому, что происходит с парамагнитными или ферромагнитными материалами, которые притягиваются источниками магнитного поля (например, с железом).
Пиролитический графит, материал, имеющий особую структуру, которая придает ему большой диамагнетизм. Это, в сочетании с его низкой плотностью и сильными магнитными полями, которые достигаются с помощью неодимовых магнитов, делает явление заметным, как на этих фотографиях.
Экспериментально подтверждено, что диамагнитные материалы обладают:
При температурах ниже критических температур при переходе вещества в сверхпроводящее состояние оно превращается в идеальный диамагнетик: Эффект Мейснера и его использование
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Объяснены магнитные свойства графита
Голландские физики подтвердили, что графит является постоянным магнитом при комнатной температуре, и впервые объяснили происхождение ферромагнетизма в графите. Их исследования могут оказаться важными в различных нанотехнологических и технических приложениях, таких как биодатчики, детекторы и спинтроника.
Графит состоит из слоев углерода (графена). Хотя ферромагнетизм в графите наблюдался и раньше, его происхождение было непонятно. Ученые полагали, что это может быть следствием малых примесей, содержащих железо, а не свойств самого углерода.
Теперь Кеес Флипсе (Kees Flipse) с коллегами из Эйдховенского университета технологии и Университета Радбуд (Radboud University) из Наймейгена показали, что магнетизм обусловлен дефектами, лежащими между слоями углерода. Они определили это с помощью магнитного силового микроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, измерив магнитные и электрические свойства материала с разрешением 1 нм.
Магнитный микроскоп сканировал поверхность очень острым зондом и измерял магнитное поле между образцом и зондом. Это позволило обнаружить ферромагнетизм в дефектах на поверхности графита. Для измерений внутри образца использовался сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (SQUID) – наиболее чувствительный на сегодня.
Графит состоит из хорошо упорядоченных областей атомов углерода, разделенных слоем дефектов шириной 2 нм. Исследователи обнаружили, что электроны в дефектах ведут себя иначе, чем в упорядоченных областях, а именно, подобно электронам в ферромагнетиках. Они также обнаружили, что регионы границ зерна в индивидуальных листах углерода имеют магнитную связь, образуя 2D-сети. Именно этой связью объясняются ферромагнитные свойства графита.
Кроме научного, магнитный графит может представлять интерес для техники и нанотехнологий. Например, он может быть использован в биодатчиках, поскольку углерод является биосовместимым. Он мог бы также проложить путь к спинтронике на основе углерода.
Вы можете подписаться на нашу страницу в LinkedIn!
Напечатать 
Отправить другу
Лазер заставил двигаться левитирующий графит
Японские инженеры научились двигать левитирующий в магнитном поле графит при помощи лазерного луча. Работа ученых опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте Phys.Org.
Диамагнетики, в отличии от пара- и тем более ферромагнетиков, попадая в магнитное поле, отталкиваются от него. Однако, сила отталкивания обычно невелика, и для эффекта левитации требуется сильное магнитное поле.
Левитация графита основана на его выраженных диамагнетических свойствах. Ранее ученые показали, что у пиролитического графита отталкивание в магнитном поле настолько велико, что способно преодолевать силу гравитационного притяжения даже при использовании обычных (не сверхпроводящих) стационарных магнитов.
Авторы новой работы обратили внимание на то, что диамагнетические свойства, а, следовательно и сила отталкивания в магнитном поле, сильно зависят от температуры.
Ученые показали, что при равномерном нагревании левитирующего графитового диска лазерным лучом он постепенно опускается. Если нагревать такой диск только с одной стороны, графитовая «шайба» начинает двигаться над полем стационарных магнитов в сторону более горячего края. Кроме того, если диск поместить над одиночным магнитом и нагреть его несимметрично, графит начинает вращаться.
Наука 21 век » У графита обнаружены свойства сверхпроводников
Профессиональная защита интеллектуальной собственности
У графита обнаружены свойства сверхпроводников
Исследователи под руководством Пабло Эскинацци из Лейпцигского университета (ФРГ) заявили, что даже при температурах более 100 ˚C отдельные тонкие пластинки графита, смоченные в дистиллированной воде, демонстрировали магнитные свойства, характерные для высокотемпературных сверхпроводников.
По словам самого г-на Эскинацци, это заявление звучит как научная фантастика, которому сложно не верить.
Графит, напомним, состоит из отдельных слоёв атомов углерода, выстроенных в шестиугольные решётки. Будучи допирован элементами, обеспечивающими ему дополнительные свободные электроны, он способен быть сверхпроводником. Если допирование осуществляется кальцием, то температура наступления сверхпроводимости составляет 11,5 К (менее –260 ˚C). Ранее уже высказывались предположения о том, что при обеспечении большего притока свободных электронов можно добиться и 60 К.
Однако проверка этой идеи группой г-на Эскинацци принесла экстраординарные результаты. 100 мг графитного порошка, состоящего из микропластинок длиной в миллиметр и толщиной в десятки нанометров, было помещено в 20 мл дистиллированной воды; после 24 часов перемешивания графитовый порошок отфильтровали и высушили при 100 ˚C. А теперь внимание: помещённый в магнитное поле допированный водой графит оставался слегка намагниченным после удаления магнитного внешнего поля.
Графит продемонстрировал резкие фазовые переходы магнитного поля, характерные для высокотемпературных сверхпроводников, причём для температур буквально в сотни кельвинов — точнее, до 400 К (примерно 130 ˚C). Более того, магнитные свойства, характерные для сверхпроводников, наблюдались вплоть до 500 К (почти 230 ˚C!), однако затем графитовые микроструктуры начинали разрушаться, и дальнейшее наблюдение эффекта было затруднено.
Конечно, в силу структуры графитовых микрогранул, использованных в эксперименте, продемонстрировать на них нулевое электрическое сопротивление не удалось. Дело в том, что допирование атомами водорода при вымачивании микрогранул в воде могло идти лишь по их поверхности, а потому только она демонстрировала вихри Джозефсона, характеризующие высокотемпературные сверхпроводники. Поскольку поверхности гранул не образуют структуру, которая распространяется на весь материал, пропустить через него ток с нулевым сопротивлением не было никакой возможности.
Чтобы образовать такую структуру, исследователи пробовали смять порошок, состоящий из микрогранул, в плотные шарики, однако магнитные признаки сверхпроводимости при этом исчезали: это, по всей видимости, связано с тем, что допированные поверхности микрогранул перемешивались при сжатии с недопированными внутренними слоями. Не удалось также показать, что остаточная намагниченность отсутствует внутри микрогранул, — а это обязательно для сверхпроводника. Однако если поставленный эксперимент окажется устойчиво воспроизводимым (что ранее не всегда удавалось для высокотемпературных проводников), то он как минимум серьёзно изменит наши взгляды на условия, при которых возможна сверхпроводимость.