Новости науки 11.06.01. Магнетизм атомных кластеров

В последние годы активному исследованию подвергаются низкоразмерные структуры, в частности, атомные кластеры: "молекулы", состоящие из небольшого числа атомов одного элемента. Среди прочих их особенностей, большой интерес представляют магнитные свойства атомных кластеров. Так, в эксперименте [1] было показано, что марганцевые атомные кластеры Mn_n (n = 11 - 99) обладают суперпарамагнитными свойствами.

Интерес к атомным кластерам мотивирован тем, что их свойства могут сильно, даже качественно отличаться от свойств сплошного, макроскопического тела. К примеру, в определенных условиях теплоемкость атомных кластеров может стать отрицательной (см. заметку Е.Онищенко Системы с отрицательной теплоемкостью) — явление, не наблюдающееся в макроскопических телах. Другое качественное изменение при переходе от сплошной среды к кластерам — появление сильного магнетизма в неферромагнитных материалах.

Так, например, в работе [2] было найдено, что родиевые атомные кластеры (Rh_9-60) обладают значительными магнитными моментами, хотя в макроскопических образцах родий — металл немагнитный. В то же самое время атомные кластеры других переходных металлов (V_n, Ru_n, Pd_n) такими ферромагнитными свойствами не обладают. Пытаясь понять, как же именно возникает ферромагнитное поведение атомных кластеров переходных металлов, теоретики предсказали [3], что кластеры марганца должны также обладать существенными магнитными моментами.

И вот, в статье [1] сообщаются первые экспериментальные данные по исследованию магнитных свойств кластеров марганца Mn_n (n = 11 - 99). Молекулярный пучок, содержащий различные кластеры, получался путем лазерного испарения марганцевой мишени. Попадая в область неоднородного магнитного поля, пучок расслаивался на части: кластеры с разными магнитными моментами образовывали разные пучки. Пучки детектировались с помощью время-пролетного масс-спектрометра, и из спектров извлекался магнитный момент атомных кластеров.

Магнитный момент марганцевых кластеров в расчете на один атом как функция числа атомов в кластере.

На рисунке показаны результаты эксперимента. Здесь представлен магнитный момент, приходящийся на один атом и выраженный в магнетонах Бора, для кластеров с различным числом атомов. Видно нерегулярное поведение этой кривой с четкими минимумами при n=13 и n=19 и широким максимумом в районе n=50-60. Авторы делают предположение, что минимумы магнитных моментов при n=13 и n=19 свидетельствуют об икосаэдрическом росте атомных кластеров. Природу возникновения широкого максимума на этом графике авторы объяснить пока не могут. Заметьте, что при дальнейшем увеличении числа атомов, средний магнитный момент, приходящийся на один атом, стремится к своему макроскопическому значению, то есть, к нулю.

Стоит отметить, что детальное сравнение с теоретическими предсказаниями пока невозможно: теоретики обсчитывали только кластеры, содержащие от 2 до 8 атомов. Однако общая тенденция атомов марганца образовывать ферромагнитные связи при объединении в кластеры подтвердилась.

Ссылки:

[1] M.B. Knickelbein, Phys.Rev.Lett. 86, 5255 (2001).
[2] A.J.Cox et al., Phys.Rev.B 49, 12295 (1994).
[3] S.K.Nayak and P.Jena, Chem.Phys.Lett. 289, 473 (1998); M.R.Pederson, F.Reuse, S.N.Khanna, Phys.Rev.B 58, 5632 (1998).

перейти к началу страницы