grafenowe-nanowstazki

Naukowcom z Berkeley udało się ustabilizować pole magnetyczne grafenowych nanowstążek

Odkąd ponad 15 lat temu odkryto grafen — cienki arkusz węgla o grubości jednego atomu — materiał badany jest pod kątem materiałoznawczym. Dzięki tym badaniom wiemy, że przecięcie arkusza grafenu wzdłuż krawędzi siatki o strukturze plastra miodu tworzy jednowymiarowe zygzakowate paski grafenu, zwane nanowstążkami, o egzotycznych właściwościach magnetycznych.

Naukowcy uważają, że te właściwości magnetyczne nanowstążek są kluczem do stworzenia nowych nośników danych wykorzystujących spintronikę – tj. teoretycznie można by je wykorzystać do produkcji szybkich i energooszczędnych nośników danych oraz technologii przetwarzania informacji poprzez kodowanie danych za pomocą spinu elektronu zamiast ładunku.

W praktyce jednak nanowstążki są wysoce reaktywnym materiałem, przez co bardzo trudno zmusić je do tego typu współpracy. Przełomem w tej kwestii mogą być najnowsze badania naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory, którym udało się opracować metodę stabilizacji krawędzi nanowstążek i bezpośredniego pomiaru ich właściwości magnetycznych.

Grafenowe nanowstążki z domieszką azotu

Zespół kierowany przez Felixa Fischera i Stevena Louie odkrył, że zastępując niektóre atomy węgla wzdłuż zygzakowatych krawędzi wstęgi atomami azotu, można dostroić lokalną strukturę elektronową bez zakłócania jej właściwości magnetycznych. Dodatkowo, ta subtelna zmiana strukturalna umożliwiła badaczom opracowanie mikroskopowej sondy skanującej do pomiaru lokalnego magnetyzmu materiału w skali atomowej.

— Wcześniejsze próby ustabilizowania zygzakowatej krawędzi zmieniały strukturę elektronową samej krawędzi, przez co badanie magnetycznych właściwości tego materiału musiało ograniczać się do teoretycznych modeli obliczeniowych – tłumaczy Steven Louie.

Korzystając z tych modeli teoretycznych, Fischer i Louie stworzyli grafenowy arkusz z domieszką atomów azotu umieszczonych w takich miejscach, aby stabilizowały one wycinane z arkusza nanowstążki.

— Unikalną zaletą tej molekularnej technologii oddolnej jest to, że każda cecha strukturalna wstążki grafenowej, taka jak dokładna pozycja atomów azotu, może być zakodowana w molekularnym bloku budulcowym – mówi Raymond Blackwell współautor badania.

Oprócz stworzenia wzbogaconych azotem nanowstążek, wyzwaniem dla naukowców było również opracowanie nowej techniki bezpośredniego pomiaru pola magnetycznego w skali nanometrycznej. Na szczęście naukowcy odkryli, że atomy azotu podstawione w strukturze nanowstążek faktycznie działały jak czujniki w skali atomowej.

Czytaj również: Grafen: cudowny materiał bez tajemnic

Obliczenia przeprowadzone przez zespół przy użyciu zasobów obliczeniowych w National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) dały ilościowe prognozy interakcji, które powstają w wyniku spinowo-spolaryzowanych stanów brzegowych wstążek. Pomiary mikroskopowe precyzyjnych sygnatur oddziaływań magnetycznych były zgodne z tymi przewidywaniami i potwierdziły ich właściwości kwantowe.

Reklama

— Nasze badanie otwiera drzwi do niespotykanych dotąd możliwości spintroniki opartej na węglu – powiedział Fischer

Nowy sposób stabilizacji nanowstążek może być pierwszym krokiem do wykorzystania tego typu struktur do budowy urządzeń nanoelektronicznych nowej generacji. Choć zanim to nastąpi, musimy poznać pełnię możliwości tego typu materiału. Na razie udało nam się go ustabilizować pod kątem elektromagnetycznym — budując na tym, kolejne badania zajmą się dokładnym badaniem ich właściwości.