Атомы, адсорбированные на поверхности твёрдого материала, называются адатомами. Они хаотично перемещаются с одного места на другое. В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа учёных из Германии продемонстрировала, что одиночные атомы можно направлять в выбранном направлении при температурах, близких к абсолютному нулю (4 Кельвина), если используемая поверхность является магнитной. Это открытие может открыть новые возможности для точного управления движением атомов — востребованной способности в области нанотехнологий, хранения данных и функциональных материалов.
Методы исследования
Исследователи поместили отдельные атомы кобальта, родия и иридия на поверхность марганца толщиной в один атом, чтобы создать магнитно определённую поверхность, и изучили поведение миграции адатомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) при температуре 4 К.
Результаты
Согласно установленным данным о немагнитных поверхностях, движение атомов обычно определяется симметрией поверхности. В гексагональном монослое марганца, подобном использованному в исследовании, атомы должны были мигрировать случайным образом в любом из шести направлений. Однако исследователи обнаружили, что при подаче короткого локализованного импульса напряжения от наконечника СТМ атомы последовательно перемещались только в одном направлении.
Значение исследования
Атомная и молекулярная диффузия на поверхностях — фундаментальный процесс в химии поверхности, поскольку он имеет решающее значение для роста наноструктур и плёнок и лежит в основе широкого спектра химических реакций, включая катализ и молекулярную самосборку. Понимание динамики движения атомов в реальном времени и их поведения при различных поверхностных условиях и внешних стимулах необходимо для оптимизации в области физики поверхности.
Влияние магнетизма на диффузию
Исследования, изучающие движение атомов на немагнитных поверхностях, показали, что базовая симметрия поверхности играет решающую роль в управлении их движением, часто демонстрируя изотропную диффузию (одинаковую диффузию во всех направлениях) на поверхностях с высокой симметрией. Хотя немагнитные поверхности и симметрия поверхности были тщательно изучены, влияние магнетизма на диффузию остаётся в значительной степени неизученным экспериментально. Это несмотря на теоретические прогнозы, предполагающие, что магнетизм оказывает сильное влияние на диффузию адатомов, особенно на ферромагнитных и антиферромагнитных поверхностях.
Создание магнитно упорядоченной поверхности
В исследовании исследователи создали магнитно упорядоченную поверхность путём вакуумного напыления одного слоя атомов марганца (Mn) на подложку из рения (Re). Эта точная структура создала гексагональную кристаллическую структуру с антиферромагнитным состоянием, где магнитные моменты чередуются в направлении от одного атомного ряда к другому.
Результаты экспериментов
Отдельные атомы магнитного элемента кобальта (Co) и немагнитных элементов родия (Rh) и иридия (Ir) были нанесены на поверхность Mn/Re, и их движение было инициировано с помощью локальных импульсов напряжения от наконечника СТМ. Изображения, полученные с помощью СТМ, показали, что атомы строго перемещались одномерно вдоль рядов параллельных спинов, причём кобальт перемещался дальше всех при инициировании импульсами напряжения.
Моделирование показывает, что атомы перемещаются легче вдоль магнитных рядов поверхности, чем поперёк них, из-за магнитных взаимодействий между адатомом и атомами поверхности, где оба действуют как крошечные стержневые магниты. В случае магнитных атомов кобальта это взаимодействие происходило из-за их собственного магнитного момента. Однако для немагнитных атомов, таких как родий или иридий, движение направляется небольшим магнитным моментом, индуцированным самой поверхностью.
Выводы
Это исследование открывает новый способ управления движением отдельных атомов с помощью магнетизма. Разблокировка направленного управления на атомном уровне меняет правила игры для разработки мощных технологий с атомной точностью — от наноинженерных материалов до квантовых схем.