Немагнитный углерод может превратиться в постоянный магнит, как железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.
Всем известно, что чистый углерод обычно не имеет магнитных свойств. Но, оказывается, разные модификации углерода, одного из основных кирпичиков мироздания, могут превращаться в магниты при определенных манипуляциях (например, добавлении магнитных или немагнитных примесей, наличии дефектов и т.д.). Более 10 лет назад ученые высказали предположения, что графит, к примеру, может стать магнитным, если слегка изменить его структуру, добавив другие элементы, например, водород. Но экспериментальных доказательств не было.
Хендрик Олдаг (Hendrik Ohldag) из Стэнфорда (the Stanford Synchrotron Radiation Laboratory at SLAC), автор статьи в New Journal of Physics, вместе с коллегами из Беркли (Lawrence Berkeley Lab's Advanced Light Source) и Лейпцига (the Institute for Experimental Physics) исследовал природу намагниченности графита. Ученые использовали мощное рентгеновское излучение синхротронов в Беркли и Стэнфорде, чтобы исследовать свойства электронов, которые отвечают за магнитный порядок. Они приступили к изучению образцов графита, предварительно убедившись в отсутствии магнитных примесей. Оказалось, что намагниченность графита существенно зависит от атомов водорода на поверхности образцов. Величина магнитного момента на поверхности может быть очень большой, как у магнитных металлов, она наблюдается даже при комнатной температуре, уверяют авторы.
Мы изучали электроны и их состояния в образцах, объясняет Олдаг. С помощью разных методов визуализации ученые проверили образцы графита до облучения протонами и после. Затем их поместили в магнитное поле. Сильная намагниченность поверхностного слоя (порядка десяти нанометров глубиной) наблюдалась у обоих образцов. К удивлению ученых, намагниченность на поверхности графита оказалась такой же сильной, как у классического ферромагнитного металла. Ученые связывают ее появлению с наличием атомов водорода на поверхности материала.
В графите всегда есть большое количество молекул водорода H2. Образующийся из него атомарный водород воздействует на электронную структуру углерода, что приводит к появлению намагниченности. Бомбардировка поверхности протонами усиливает эффект. Впрочем, не только протонами, но и другими элементами, которые вызывают образование атомарного водорода.
Конечно, 5-мм кубик графита, который изучала группа Олдага, никогда не превратится в очень сильный магнит. Тем не менее, намагниченность поверхностного слоя графита открывает невероятные возможности для применения в наноэлектронике и квантовых компьютеров. Следующая цель ученых – исследование магнитных свойства графена.