Магнитные свойства кластеров

Малые размеры кластера могут не позволить реализоваться специфическому обменному взаимодействию, и выстраивающему магнитные моменты в определенном порядке, и тогда магнитные свойства этих нанообъектов будут качественно отличаться от свойств такого же но составу макроскопического тела. Действительно, кластеры классического ферромагнетика - железа при комнатной температуре оказались парамагнетиками.

Напротив, кластеры неферромагнитных материалов (родия, марганца) неожиданно проявили значительные магнитные моменты.

Теоретики предсказывали, что кластеры марганца должны демонстрировать ферромагнетизм, и эксперимент это подтвердил. Молекулярный пучок, содержащий различные по величине кластеры марганца, получили, воздействуя лазерным лучом на мишень из марганца. Чтобы разделить кластеры с разным магнитным моментом, пучок пропускали через неоднородное магнитное поле - кластеры с разными магнитными моментами образовывали различные пучки. Дальнейшее пропускание пучков через масс-спектрометр позволил определить магнитный момент, соответствующий кластерам, состоящим из определенного числа атомов N (рис. 3.3). При N, равном 13 и 19 (магические числи) обнаружены явные минимумы магнитных моментов.

Первое магическое число 13 определятся тем, что вокруг одной сферы могут «собраться», касаясь ее и друг друга, двенадцать сфер того же радиуса. Второе магическое число 19 означает, что, когда к кластеру присоединяется еще 6 атомов, его суммарный магнитный момент снова становится минимальным¹. Авторы эксперимента полагают, что кластеры растут сак икосаэдры. Заметим, что при увеличении числа атомов наблюдается тенденция стремления магнитного момента к нулю, как это и должно быть для пассивного образца марганца.

Теоретические расчеты японских ученых предсказывают, что легирование атомами двухвалентных металлов кластеров кремния, скандия, германия существенно увеличит их стабильность. Стабильными должны стать даже кластеры с «немагнетическим» числом атомов. При этом увеличивается симметрия кластеров и изменяется их электронная структура. Уникальные свойства, в том числе большой магнитный момент, предсказаны для кластеров германия и скандия, легированных атомами марганца.

М ы уже упоминали, что развитие нанотехнологии требует активного использования молекулярного дизайна. В лабораторных условиях синтезированы уникальные молекулы-магниты (рис. 3.4) с определенным значением магнитного момента. Это металлоорганические молекулы, в которых ионы переходных элементов (железа, марганца и др.) обрамлены ионами кислорода, хлора, углерода. Фактически молекулы-магниты моделируют в наномасштабе свойства макроскопических твёрдых тел. В «железном колесе» (рис. 3.4, а) десять ионов железа Fe³⁺ окружены ионами кислорода, углерода и хлора. Взаимодействие между ионами железа таково, что суммарный момент молекулы равен нулю, т.е. она моделирует антиферромагнетизм (см. рис. 3.2, б). В марганцевом кольце (рис. 3.4, б), где ионы металла марганца Mn²⁺ со спином 5/2 чередуются с органическими радикалами со спином 1/2, их разные по величине спины складываются, как в ферромагнетике (см. рис. 3.2, в). Если, например, все спины ионов марганца направленных вверх, а спины радикалов вниз, то в итоге суммарный спин молекулы будет иметь большое значение S = 12. Ферромагнетиком оказывается и третий магнитный кластер, изображенный на рисунке 3.4, в, со спином S = 10.

Такие молекулы интересуют биологов, так как органические железосодержащие молекулы обнаружены во многих живых организмах. Структура магнитных молекул изображена на рисунке 3.4, близка к структурам живых организмов. Так, важнейшие соединения гемоглобин и миоглобин содержат комплексное соединение железа (гем), окруженное белками (глобин).

Такие магнитные молекулы фактически являются отдельными магнитными доменами. Если из них сконструировать магнетик, он будет лишен недостатков, связанных с наличием доменных границ. Поэтому магнитные кластеры выгодно использовать, «монтируя» их в какую-либо матрицу, чтобы изолировать друг от друга и сохранить их необычные свойства. Изучение квантовых переходов в магнитных молекулах важно для разработки квантовых компьютеров.