Znajdź zawartość

W tzw. magnetyczny grafenie zauważono nieznany dotychczas rodzaj magnetyzmu. Jego odkrycie pomoże lepiej zrozumieć zjawisko nadprzewodnictwa w tym niezwykłym materiale. Odkrycia dokonali naukowcy z University of Cambridge, którym udało się kontrolować przewodnictwo i magnetyzm tiofosforanu żelaza (FePS3), dwuwymiarowego materiału, który gdy jest ściskany zmienia swoje właściwości z izolujących po przewodzące. Brytyjczycy, wykorzystując wysokie ciśnienie, wykazali,, co dzieje się w magnetycznym grafenie podczas przejścia z izolatora do przewodnika oraz w jego stanie metalicznym. Badania wykazały, że podczas przechodzenia w metal materiał nie traci swoich właściwości magnetycznych. Może to być wskazówką, jak działa przewodnictwo elektryczne w metalach. Nowo odkryta faza magnetyczna może być prekursorem nadprzewodnictwa, zatem odkrycie może mieć kolosalne znacznie dla zrozumienia teo zjawiska. Autorzy badań sugerują też metodę przygotowywania materiału tak, by był zarówno przewodnikiem, jak i wykazywał właściwości magnetyczne, co może być przydatne w rozwoju nowych technologii np. spintroniki. Wiemy, że właściwości materii mogą ulegać znaczącym zmianom pod wpływem zmian w strukturze atomowej i jej organizacji przestrzennej. Na przykład grafen, diament, węglowe nanorurki i grafit wszystkie są zbudowane z atomów węgla, jednak dzięki różnej strukturze mają odmienne właściwości. Wyobraźmy sobie, że możemy zmienić wszystkie te właściwości dodają magnetyzm. Materiał, który były elastyczny pod względem mechanicznym i pozwoliłby na utworzenie nowych obwodów służących przechowywaniu informacji i przeprowadzaniu obliczeń. To dlatego właśnie materiały te są tak interesujące. Gdy poddamy je wysokiemu ciśnieniu możemy w sposób kontrolowany zmieniać ich zachowanie, mówi główny autor badań, Matthew Coak z Cavendish Laboratory na University of Cambridge. Już podczas wcześniejszych badań Sebastian Haines z Cavendish Laboratory stwierdził, że tiofosforan żelaza poddany wysokiemu ciśnieniu zmienia się metal. Opisał też jego strukturę krystaliczną oraz zachodzące w niej zmiany. Brakowało jednak badań nad magnetyzmem, stwierdza Coak. Jako, że nie istniała żadna technika, która pozwalałaby badać magnetyzm w tym materiale przy tak wysokim ciśnieniu, musieliśmy opracować własną metodę, dodaje. Zespół Coaka, po opracowaniu odpowiedniej techniki, zaczął przyglądać się, co dzieje się z magnetyzmem FePS3 poddawanemu coraz większemu ciśnieniu. Ku naszemu zdumieniu właściwości magnetyczne zostały zachowane, nawet w pewien sposób uległy wzmocnieniu. To niespodziewane zjawisko, gdyż nowe swobodnie poruszające się elektrony w nowym materiale przewodzącym nie mogą być już ściśle związane ze swoimi atomami żelaza, tworząc tam moment magnetyczny. Nie wiemy dokładnie, co dzieje się tam na poziomie kwantowym, ale możemy tym manipulować. Otworzyliśmy drzwi, przez które możemy podejrzeć pewne właściwości, ale jeszcze nie wiemy, co to za właściwości, mówi doktor Siddharth Saxena. Szczegóły badań zostały opisane w artykule Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS3. « powrót do artykułu

Naukowcy połączyli ze sobą dwa niemagnetyczne izolatory i odkryli, że miejsce, w którym materiały się stykają zyskało właściwości magnetyczne oraz nadprzewodzące. Zwykle te dwa zjawiska nie występują jednocześnie. Dla Kathryn A. Moler ze Stanford Linear Accelerator Center, która prowadziła badania nad zobrazowaniem wspomnianego zjawiska, odkrycie to otwiera ekscytujące możliwości dla inżynierii nowych materiałów oraz badania współoddziaływań normalnie niekompatybilnych stanów materii. Moler mówi, że teraz naukowcy muszą dowiedzieć się, czy magnetyzm i nadprzewodnictwo jednak występują wspólnie w materiałach, a dotychczas tego nie zauważyliśmy czy też odkryto nowy niezwykły stan nadprzewodnictwa, które wchodzi w interakcje z magnetyzem. Nasze przyszłe badania pokażą, czy zjawiska te się znoszą czy się wspomagają - stwierdziła uczona. Teraz naukowcy rozpoczynają eksperymenty, które mają pokazać, co dzieje się z magnetyzmem i nadrzewodnictwem podczas ściskania użytych przez nich glinianu lantanu i tytanatu strontu lub też poddawaniu ich działaniu pola elektrycznego. To nie pierwsze zdumiewające zjawisko, które zachodzi po połączeniu tych dwóch tlenków. Niedawno informowaliśmy o niezwykle interesującym odkryciu dokonanym przez uczonych z MIT-u i Uniwersytetu w Augsburgu.

Zdaniem Rafała Oszwaldowskiego i Igora Zutica z University of Bufallo oraz Andre Petukhowa z South Dakota School of Mines and Technology, magnetyzm w najmniejszej skali podlega nieco innym zasadom niż nam się wydaje. Uczeni opublikowali w Physical Review Letters artykuł, w którym prezentują wyliczenia dowodzące, że możliwe jest stworzenie kropki kwantowej o zaskakujących właściwościach. Magnetyzm materiału jest określany przez spin elektronów. Jeśli w materiale spin większości z nich zwrócony jest w tę samą stronę, materiał posiada właściwości magnetyczne. Elektrony mogą też działać jak „magnetyczni posłańcy", którzy za pomocą własnego spinu wpływają na spin pobliskich atomów. Według obecnego stanu wiedzy, jeśli spotkają się dwa elektrony o przeciwnych spinach, to ich wpływ na otoczenie będzie się znosił. Wspomniani powyżej naukowcy twierdzą jednak, że nie wygląda to tak prosto. Ich zdaniem w kwantowych kropkach można zaobserwować pewien szczególny rodzaj magnetyzmu pojawiający się w obecności elektronów o przeciwnym spinie. W swoim artykule opisali oni teoretyczną kropkę kwantową zawierającą dwa elektrony o przeciwnych spinach oraz atomy manganu umieszczone w ściśle określonych miejscach kropki. Elektrony będą tam działały jak „magnetyczni posłańcy", wpływając na spin pobliskich atomów. Z wyliczeń Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova wynika, ze oba elektrony będą w odmienny sposób działały na atomy. Jeden z nich będzie bowiem preferował lokalizację na środku kropki, a drugi na jej obrzeżach. To spowoduje, że atomy manganu znajdujące się w różnych częściach kropki będą podlegały różnemu wpływowi. Ten elektron, który będzie na atomy wpływał silniej „wygra" i dostosuje ich spin do swojego, dzięki czemu kropka nabierze właściwości magnetycznych. Igor Zutic zauważa, że jeśli obliczenia się potwierdzą, to całkowicie zmienią naszą wiedzę o interakcjach magnetycznych. Uczony dodaje: gdy mamy dwa elektrony o przeciwnych spinach, założenie jest takie, że pomiędzy nimi będzie istniała równowaga, a zatem żadna magnetyczna wiadomość czyli żadne siły nie wpłyną na spin pobliskich atomów manganu. Ale naszym zdaniem tam zachodzi walka. Podstawowe zasady magnetyzmu są dla nas wciąż tajemnicą i skrywają wiele niespodzianek. Wyliczeniami już zainteresowali się fizycy z University of Bufallo, którzy chcieliby przeprowadzić odpowiednie eksperymenty. Twierdzenia Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova, o ile się potwierdzą, mogą mieć olbrzymi wpływ na spintronikę oraz te działy nauki i gospodarki, które wykorzystują właściwości magnetyczne - z więc na obrazowanie medyczne, elektronikę czy budowę laserów.

Na University of Maryland odkryto nową metodę kontrolowania właściwości magnetycznych grafenu. Zespół profesore Michaela S. Fuhrera zauważył, że grafen zyska właściwości magnetyczne, gdy... „podziurawimy" jego strukturę krystaliczną. Wystarczy usunąć z grafenu niektóre atomy, a powstałe w ten sposób puste miejsca będą działały jak niewielkie magnesy, zyskają moment magnetyczny. Co więcej, ten moment oddziałuje tak silnie z elektronami w grafenie, że pojawia się efekt Kondo, czyli anomalna zależność oporu od temperatury. Efekt Kondo występuje zwykle, gdy do metali niemagnetycznych, takich jak złoto czy miedź, dodamy niewielkie ilości metalu magnetycznego (np. żelaza czy niklu). Odkrycie efektu Kondo w grafenie zaskoczyło naukowców. Po pierwsze, badaliśmy system składający się z czystego węgla, bez żadnych tradycyjnych magnetycznych domieszek. Pod drugie, grafen charakteryzuje się bardzo niską gęstością elektronów, co oznacza, że efekt Kondo powinien pojawiać się tylko w skrajnie niskich temperaturach - mówi Fuhrer. Tymczasem w przypadku grafenu efekt Kondo zmierzono w 90 kelvinach. W takich temperaturach można go obserwować w metalach o bardzo wysokiej gęstości elektronów. Co więcej, temperatura Kondo, poniżej której występuje efekt Kondo, może być dostrajana za pomocą napięcia elektrycznego. Takiego zjawiska nie zaobserwowano w metalach. Naukowcy spekulują, że te niezwykłe właściwości grafenu wynikają z faktu, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, przez co wyjątkowo mocno oddziałują z nieregularnościami siatki krystalicznej. Zdaniem Fuhrera, jeśli znajdziemy odpowiedni wzorzec „dziurawienia" grafenu, to materiał ten może zyskać właściwości ferromagnetyczne. Poszczególne momenty magnetyczne mogą zostać połączone za pomocą efektu Kondo i ustawione w jednym kierunku. W ten sposób uzyskamy ferromagnes wykonany z węgla. Magnetyzm w grafenie umożliwi stworzenie wielu nowych nanoczujników. A połączenie właściwości magnetycznych ze świetnymi właściwościami elektrycznymi grafenu może mieć zastosowanie w spintronice - stwierdza profesor Fuhrer.

Jednym z największych problemów związanych z leczeniem raka jajnika jest zapobieganie powstawaniu przerzutów. Nowotwór ten może rozsiewać się wyjątkowo łatwo za pośrednictwem płynu krążącego wewnątrz otrzewnej. Naukowcy z Georgia Institute of Technology znaleźli jednak sposób na wybiórcze wydobycie komórek nowotworowych z tej cieczy i ochronę innych organów przed powstaniem przerzutu. Opracowana metoda opiera się na wykorzystaniu magnetycznych nanocząstek. Zostały one przyłączone do peptydów (krótkich łańcuchów aminokwasowych) posiadających zdolność do wiązania receptora efryny A2 - jednego z białek, których nadmierną aktywność stwierdza się często w raku jajnika. Zgodnie z założeniami nowej techniki, opracowanej przez zespół Kennetha E. Scarberry'ego, po okresie inkubacji pozwalającym na przyłączenie się terapeutycznych kompleksów do ich celów wewnątrz komórek wystarczy użyć magnesów, by wybiórczo wydobyć komórki nowotworowe z badanej próbki. Skuteczność magnetycznych nanocząstek przetestowano dotąd na próbkach płynu otrzewnowego wyizolowanych od pacjentek cierpiących na raka jajnika. Z przeprowadzonych testów wynika, że osiągają one skuteczność wystarczającą do wydobycia komórek nowotworowych z badanego materiału. Potwierdzenie tych danych będzie jednak wymagało badań na pacjentkach, a nie tylko na pobranych od nich próbkach.

Naukowcy z MIT-u odpowiedzieli na pytanie, które od dziesięcioleci trapiło uczonych - czy w gazach powstaje zjawisko magnetyzmu. Odpowiedź brzmi: tak. Zespół z Massachusetts Institute of Technolgy zaobserwował magnetyzm w gazie atomów litu schłodzonych do temperatury -273 stopni Celsjusza. W ten sposób udowodniono, że gaz złożony z fermionów nie musi tworzyć sieci krystalicznej, by być ferromagnetykiem. Uczeni od dziesięcioleci zastanawiali się, czy gazy i płyny mogą być ferromagnetykami, czyli materiałami wykazującymi silne właściwości magnetyczne nawet bez obecności pola magnetycznego. W ciałach stałych, takich jak żelazo czy nikiel, mamy do czynienia z ferromagnetyzmem wówczas, gdy nietworzące par elektrony w siatce krystalicznej spontanicznie ustawiają się w tym samym kierunku. Wszystkie fermiony (elektrony, protony i neutrony) wykazują właściwości podobne do elektronów, a więc mogą zostać użyte do symulowania ich zachowania w elektromagnesie. Atomy i molekuły, które posiadają równe liczby fermionów uznawane są za złożone fermiony. Dlatego też uczeni z MIT-u użyli litu-6, którego atomy składają się z trzech elektronów, trzech protonów i trzech neutronów. Wiadomo, że w naturze istnieją naturalne płyny i gazy fermionowe. Występują on w ciekłym helu-3 i w gwiazdach neutronowych. Jednak, jak wyjaśnia Gyu-boong Jo, członek zespołu badawczego, naturalne gazowa i ciekłe systemy fermionów nie wykazują właściwości ferromagnetycznych, gdyż poszczególne elementy zbyt słabo ze sobą oddziałują. Jednak w przypadku atomów litu-6 możliwe jest manipulowanie siłą oddziaływań dzięki zmianom zewnętrznego pola magnetycznego. Uczeni z MIT-u najpierw złapali chmurę chłodnych atomów litu w pułapkę stworzoną za pomocą lasera na podczerwień. Następnie zwiększali stopniowo siły oddziałujące pomiędzy atomami. Początkowo chmura zaczęła się powiększać, a później gwałtownie się skurczyła. gdy atomy uwolniono z pułapki, doszło do bardzo szybkiego powiększania się chmury. Takie zachowanie jest zgodne z teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi zjawisk zachodzących podczas przechodzenia do stanu ferromagnetyka. Specjaliści zgadzają się, że uzyskano w ten sposób bardzo silny dowód na to, iż gazy fermionowe mogą mieć takie właściwości jak krystaliczne ferromagnetyki. Jednak ostatecznym dowodem byłoby bezpośrednie zaobserwowanie ferromagnetyzmu. MIT ma zamiar nadal prowadzić badania nad nowymi właściwościami gazów, które są kontynuacją badań nad kondensatami Bosego-Einsteina. Bardzo szybko mogą one przyczynić się do powstania nowych materiałów magnetycznych, użytecznych podczas przechowywania danych, w nanotechnologii i diagnostyce medycznej. Ponadto umożliwią one dokładniejsze zbadania związków magnetyzmu i nadprzewodnictwa.

W ubiegłym roku HP zaprezentowało czwarty podstawowy element elektroniczny - memrystor. Teraz badacze z Seagate Technology opisali teoretyczne podstawy budowy magnetycznego (spintronicznego) memrystora. Yiran Chen i Xiaobin Wang opracowali trzy typy memrystora. W jednym z nich spin części elektronów jest zwrócony w inną stronę, niż spin reszty, tworząc w ten sposób ścianę domeny. Elektrony przepływające przez memrystor posiadają pewien spin, który zmienia stan magnetyczny urządzenia. To z kolei przesuwa ścianę domeny i zmienia oporność urządzenia. Dwa pozostałe pomysły zakładają szybkie przełączanie memrystora pomiędzy stanami wysokiej i niskiej oporności. Przełączanie mogłoby odbywać się z różną prędkością, od piko- do mikrosekund, w zależności od zastosowań. Jeśli np. wykorzystamy memrystor do budowy dysku twardego, potrzebne byłoby przełączanie mierzone w pikosekundach. Jeśli zaś zbudujemy z niego miernik promieniowania - w mikrosekundach. Inżynierowie Seagate'a zapewniają, że spintroniczny memrystor jest łatwy do wyprodukowania i bez problemu można umieścić go w urządzeniu CMOS.