Новые перспективы электроники: ученые впервые управляли движением отдельных атомов магнитами

Исследователи из Гамбургского и Кильского университетов в Германии впервые продемонстрировали, что атомы можно перемещать в наноматериалах с помощью магнетизма.

Ученые использовали высокочувствительный сканирующий туннельный микроскоп для управления атомами на специально спроектированной магнитной поверхности. Эксперимент проводился при температурах, близких к абсолютному нулю. Ученым удалось разместить отдельные атомы кобальта, родия и иридия на одном атомном слое марганца, тщательно нанесенном на кристалл рения. 

Несмотря на симметричную гексагональную структуру поверхности, атомы демонстрировали не хаотичное движение, как можно было ожидать в результате термодиффузии, а перемещались последовательно по соответствующим магнитным траекториям. Этот эксперимент является значительным шагом в развитии атомной диффузии, характеризующей перемещение атомов в материале путем обмена местами с вакансиями в структуре решетки. Этот процесс играет важную роль в производстве полупроводников и создании новых наноматериалов.

Хотя ученые еще раньше предполагали, что магнетизм способен влиять на движение атомов, впервые, экспериментально удалось подтвердить это. Один из ведущих авторов исследования, доктор философии, профессор Института теоретической физики и астрофизики при Калифорнийском университете Стефан Хайнце вместе с доктором философии, доцентом кафедры физики и астрофизики Соумьяджоти Халдаром провели квантово-механические расчеты, использовав вычислительную сеть для объяснения этого явления. 

Полученные результаты помогли ученым выяснить, что даже атомы родия и иридия следовали магнитным дорожкам. Ученые объясняют, что взаимодействие между поверхностью и атомами генерирует небольшой магнитный момент даже в элементах, которые по природе не являются магнитными. Эти моменты совпадают с магнитным направлением слоя марганца, заставляя атомы двигаться вдоль определенных магнитных направлений. 

Дальнейшие исследования показали, что энергетически атомам легче двигаться вдоль магнитных рядов, чем поперек них, из-за магнитного взаимодействия между атомами в середине и на поверхности материала. Исследователи сравнили это с крошечными стержневыми магнитами, которые выстраиваются друг относительно друга. 

По словам Соумьяджоти Халдара, намагничивание возникает из-за магнитного момента атома в магнитных элементах, в частности, кобальте. Не магнитные атомы, такие как родий и иридий, при их взаимодействии с поверхностью индуцируют небольшой магнитный момент, который влияет на направление их движения.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature

Источник: Interesting Engineering