(PhysOrg.com) -- I fisici hanno scoperto che, rimuovendo singoli atomi da una superficie di grafite, possono creare momenti magnetici locali nella grafite. La scoperta potrebbe portare a tecniche per creare artificialmente magneti non metallici e biocompatibili, così come più economico e più leggero dei magneti attuali.

Gli scienziati, Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, e José Gómez-Rodríguez, tutto dall'Università Autonoma di Madrid, insieme a Francisco Guinea dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Madrid, hanno pubblicato i risultati del loro studio in un recente numero di Lettere di revisione fisica.

“È una sfida urgente della nanotecnologia riuscire a integrare il grafene in dispositivi elettronici reali, "Brihuega ha detto PhysOrg.com . "A tal fine, è d'obbligo capire come la presenza di singoli difetti atomici ne modifichi le proprietà. Nel nostro lavoro, usiamo un microscopio a scansione a effetto tunnel in ambienti ultra-puliti per affrontare una domanda così fondamentale per un sistema simile al grafene, una superficie di grafite. Il nostro risultato principale è la nostra capacità di esaminare su scala atomica l'impatto intrinseco che ogni singolo atomo di carbonio rimosso dalla superficie ha sulle proprietà elettroniche e magnetiche del sistema”.

Come spiegano gli scienziati, la creazione di posti vacanti atomici in materiali simili al grafene rimuovendo gli atomi ha un forte impatto sulla meccanica, elettronico, e proprietà magnetiche dei materiali. Negli studi precedenti, i ricercatori hanno studiato gli effetti delle vacanze atomiche sulle proprietà del materiale nel suo insieme. Nello studio attuale, gli scienziati volevano approfondire e vedere cosa succede in ogni singolo posto vacante.

Nei loro esperimenti, i fisici usavano grafite pirolitica altamente ordinata, che consiste in fogli di grafene impilati che seguono la sequenza di impilamento AB-AB. Ciò significa che un foglio di grafene (B) è leggermente spostato rispetto allo strato superiore (A) in modo tale che metà degli atomi di carbonio del foglio superiore A abbiano un atomo di carbonio situato esattamente al di sotto di essi, mentre l'altra metà no.

Primo, i ricercatori hanno rimosso alcuni fogli superiori di grafene in ambienti ultra-puliti per garantire che il foglio superiore di grafene, cioè la superficie di grafite, era completamente privo di impurità. Quindi hanno creato singoli posti vacanti applicando un'irradiazione ionica a bassa energia, utilizzando energia appena sufficiente per spostare gli atomi di superficie e produrre difetti puntiformi atomici.

Usando un microscopio a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura fatto in casa, gli scienziati hanno potuto identificare la presenza di un picco di risonanza acuto in cima ai singoli posti vacanti. La risonanza ha raggiunto il picco intorno al livello di Fermi, che è stato previsto in molti studi teorici ma non è mai stato osservato sperimentalmente prima d'ora.

Come spiegano gli scienziati, la risonanza in un posto vacante può essere associata ad un momento magnetico. Le vacanze causano l'allineamento degli spin degli elettroni vicini a causa delle interazioni repulsive elettrone-elettrone, che porta alla formazione dei momenti magnetici. Inoltre, posti vacanti in diversi siti inducono diversi tipi di momenti magnetici, che possono interagire tra loro. Questa interazione indica la possibilità di indurre uno stato ferromagnetico macroscopico nell'intero materiale di grafite semplicemente rimuovendo singoli atomi di carbonio casuali.

“In un sistema di carbonio incontaminato, non ci si aspetterebbe mai di trovare il magnetismo a causa della tendenza dei suoi elettroni ad accoppiarsi a coppie formando legami covalenti, ” ha spiegato Brihuega. "L'associazione di elettroni in coppia va contro l'esistenza di un momento magnetico netto, poiché lo spin totale del legame elettronico sarà zero. Rimuovendo un atomo di carbonio dalla superficie della grafite, quello che facciamo precisamente è rompere questi legami covalenti e come risultato creiamo uno stato localizzato con un singolo elettrone spaiato che genererà un momento magnetico.

Globale, i risultati non solo confermano l'accuratezza dei modelli teorici, ma hanno anche ulteriori implicazioni. Per esempio, le risonanze osservate possono aumentare la reattività chimica del grafene. In termini di applicazioni, i risultati potrebbero portare a magneti innovativi.

"Creare un magnete da un sistema di carbonio puro è una possibilità allettante poiché questo sarebbe un magnete privo di metalli e quindi ottimale per applicazioni in biomedicina, ” ha detto Brihuega. "Inoltre, dovrebbe essere molto più economico da produrre rispetto ai magneti convenzionali poiché, per dare qualche numero, una tonnellata di carbonio costa circa mille volte meno di una tonnellata di nichel ($ 16 contro $ 16, 000), un materiale comunemente usato nei magneti reali. Nel caso dei sistemi di grafene, si avrebbero anche flessibilità e leggerezza come vantaggi aggiuntivi; ma ad oggi, la magnetizzazione totale riportata per questi sistemi è molto bassa se confrontata con i più potenti magneti esistenti.

"Secondo me, " Ha aggiunto, “il futuro più brillante in termini di applicazioni nasce nel campo emergente della spintronica, vale a dire nel tentativo di sfruttare lo "spin" dell'elettrone spaiato per creare nuovi dispositivi basati sullo spin".

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