利用原子空位使石墨产生磁性

西班牙物理学家发现，通过移除石墨材料表面的单个原子，制造原子空位，可使石墨中产生局部磁矩。这一研究成果有助于开发利用非金属材料和生物兼容性材料来制造磁体的新方法，而且可比现有磁体更轻、价格更低廉。该研究由马德里自治大学和马德里材料科学研究所的科研小组共同完成，相关论文发表在近期出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。实验中，研究人员使用了高序热解石墨，这种材料是由石墨烯层按照AB-AB的模式叠加而成。他们首先在超洁净环境中将部分A层石墨烯削去，以确保石墨的表面完全不含杂质；然后再利用低能离子辐射，使表面的原子位移，制造出一个个原子空位。通过自制的低温扫描隧道显微镜，研究小组发现，每个原子空位的顶端都出现了大约为费米能级的锐共振高峰，很多理论研究都预测过这种现象，但这是首次通过实验观测到。研究人员解释说，每个原子空位的共振都会对应一个磁矩，这是因为，电子和电子之间存在相斥作用，原子空位导致其周围的电子自旋排列成行，从而形成磁矩。而且，不同地点的空位产生不同的磁矩，磁矩彼此之间也有相互作用，这样一来，只需将单个碳原子随意移除，就能使整个石墨材料具有肉眼可见的磁性。参与此项研究的伊凡·布里休加说，普通的碳元素组成的材料通常不会出现磁力，这是由于其中的电子通过共价键结合成对，电子的总自旋为零，因而净磁矩不可能存在。一旦从石墨的表面移除一个碳原子，通过共价键结合的电子对会被打破，单个电子就产生了局部磁矩。这一结果不仅证实了理论模型的准确性，还具有诸多深层意义。比如，观察到的共振现象可能会增强石墨的化学反应能力；在应用方面，该技术可能用于制造革新性的非金属材料磁体，在电子领域和生物医学领域拥有良好前景。此外，同传统磁体相比，石墨磁体的制造成本低廉，1吨碳的价格大约不到1吨镍的价格的千分之一，而且石墨磁体还具有重量轻、弹性好等优势。不过，到目前为止，所报告的石墨磁体的磁力与现有最强的磁体相比还有不小的差距。布里休加表示，通过将类似于石墨烯的材料中的原子移除来制造原子空位，会对材料的机械性能、电子性能和磁性能产生重大影响，而当前纳米技术面临的一个紧迫挑战就是如何将石墨整合到真正的电子设备中，这项实验成果最光明的未来就是应用于旋转电子学研究，即通过不成对的电子的自旋来开发新一代电子设备。（来源：科技日报陈丹）