В последние годы все большее внимание ученых привлекает возможность проявления магнетизма в углеродных системах.

Принято считать, что для создания магнитных материалов имеет значение лишь парочка островков в таблице Менделеева - 3d металлы и некоторые 4f элементы. Только около 20 % химических элементов из них могут быть использованы для создания магнитов. Менее всего можно было бы ожидать наличие магнетизма у углерода. Однако к настоящему времени накопилось заметное количество публикаций о магнетизме твердофазных углеродных модификаций. В основном такие сообщения встречаются в российской и японской химической литературе. Однако эти сообщения были встречены физиками с известной долей скептического отношения в силу плохой воспроизводимости некоторых результатов и отсутствия теоретических предпосылок для объяснения необычных магнитных свойств углеродных материалов. В большинстве случаев обнаруживается очень небольшой магнитный момент, который может возникать из-за наличия плохо контролируемых примесей. Например, железом в буквальном смысле пропитан воздух. Одна миллионная часть этого элемента в углеродном кристалле легко объясняет его магнетизм. Можно сказать, что техника измерения магнитного момента (СКВИД-магнитометры, магнитные атомно-силовые микроскопы и т.п.) шагнула дальше культуры приготовления образцов. Наиболее правдоподобные сообщения, вызвавшие общественный резонанс, были отмечены в в 2003, когда исследовательская группа из Германии обнаружила намагниченность в серии графитовых образцов, которая значительно превышала возможный вклад примесного железа. Однако, магнитный момент варьировался от образца к образцу, что ставило под сомнение магнетизм, внутренне присущий углероду. Двумя годами ранее в ФТИ им. Иоффе Т.Макарова с сотрудниками обнаружила ферромагнитный сигнал в ромбической форме кристалла С₆₀. В 2002 был исследован метеорит, упавший в каньон Diablo 50000 лет назад. Этот материал оказался источником "внеземного магнетизма".

Каковы же возможные причины магнитного упорядочения в углеродных твердых телах? Можно предполагать, что магнитными свойствами могут обладать радиационные дефекты в углеродных кристаллах. Упомянутая немецкая группа облучала графит потоками протонов и альфа частиц, а затем с помощью атомно-силового микроскопа обнаружила на поверхности образцов "пятна намагниченности", причем этот эффект вызывали только протоны, а альфа-частицы - нет. Имеются сообщения и об изменении других свойств под действием радиации. Например, бета- и гамма облучение вызывало изменение микротвердости кристаллов. При этом наблюдали потерю ранее обнаруженного магнитопластического эффекта, также не нашедшего объяснения для кристаллов С₆₀. Это кажется весьма необычным, поскольку именно излучение могло бы создавать дефекты, обладающие спином. В отсутствие таких дефектов (т.е. до облучения) магнитопластические эффекты не должны были бы наблюдаться.

Разумными кажутся три способа создания магнитных дефектов: 1) углеродный атом, служащий мостиком между парой других атомов, использует два из четырех валентных электронов для формирования ковалентных связей, один электрон образует разорванную связь и дает вклад в магнетизм, и один электрон распределен между разорванной связью и р–орбиталью (такой дефект будет иметь неспаренный спин), 2) углеродная вакансия, возникающая при удалении одного среднего атома из тройки рассматриваемых, имеет магнитный момент, равный магнетону Бора, 3) расщепление зон проводимости в двухподрешеточном материале может происходить таким образом, что в одной подзоне окажутся спины направленные вверх, а в другой вниз; при этом неодинаковое заполнение этих подзон даст результирующий магнитный момент.

Рис. 1. Многослойная углеродная нанотрубка на ферромагнитной пленке.

Еще один необычный возможный вид магнетизма в углеродных материалах - контактный магнетизм, т.е. возникновение намагниченности при электрическом контакте с ферромагнитным металлом. Когда происходит соприкосновение материалов, возникает поток электронов, стремящийся выравнять химические потенциалы. Если в ферромагнетике имеются разные плотности электронов проводимости со спином "вверх" и спином "вниз", эта передача заряда сопровождается еще и передачей спина. В 2004 году был продемонстрирован контактно индуцированный магнетизм. На рис.1 представлены результаты исследования намагниченности многослойной углеродной нанотрубки, расположенной на ферромагнитной пленке. С помощью магнитно-силовой микроскопии было установлено, что нанотрубка представляет собой одиночный домен с ориентацией вдоль ее оси. На рис.1с и 1d показано разбиение на несколько доменов при повороте нанотрубки на 45 градусов к исходному положению. Очевидно, что контактно-индуцированный магнетизм удобен для управления током в магнитных наноструктурах и для создания приборов спинтроники.

Таким образом, углеродный магнетизм кажется перспективным потому, что он открывает путь для интегрирования спиновой и молекулярной электроники. Слабое спин-орбитальное взаимодействие и отсутствие сверхтонкого взаимодействия способствует весьма большим диффузионным длинам и временам когерентности носителей заряда.

Источник информации - заметка Р.Моргунова в бюллетене ПерсТ, выпуск 05 за 2005 г.