Не успели любители нанокластеров в полной мере насладиться архитектурой фуллеренов и приблизиться к пониманию их свойств, как на свет стали появляться все новые и новые изящные наноконструкции. Среди них, возможно, наибольший интерес представляют нанокластеры с экзотическими магнитными свойствами.

Накопленный опыт показывает, что умение управлять расстояниями между высокоспиновыми молекулами и кластерами приводит к вариациям обменного взаимодействия, что в некоторых случаях позволяет добиться возникновения дальнего магнитного порядка, т.е. макроскопической намагниченности образца.

Рис.1. Высокоспиновые молекулярные кластеры: Fe10 (а), Mn6 (б), Mn6 (в), Fe8 (г).

К сожалению, четкого алгоритма для тонкой подстройки межмолекулярных расстояний сегодня, по- видимому, нет ни у кого. Действия химиков, занимающихся синтезом, пока во многом напоминают алхимию и сопровождаются грандиозным количеством неудач. Опыт неудач все же сделал понятным, что перспективными для создания уникальных магнитов являются кластеры металлов с незаполненными d- и f- электронными оболочками. Эти кластеры (см., например, рис. 1) могут служить строительными блоками для новых магнитных структур, поскольку каждый из них является отдельным магнитным доменом. Таким образом, нанокластерный магнетик (в случае его создания) будет практически лишен всех тех недостатков, которые неизбежно возникают в ферромагнетиках из-за присутствия в них доменных границ.

Главная проблема в использовании нанокластеров металлов с незаполненными d- и f- оболочками заключается в их активном окислении на воздухе. Оксиды, получающиеся в результате присоединения кислорода к металлическим кластерам (например, Fe₂O₃), как правило, являются низкоспиновыми (или вообще “бесспиновыми”) и не обладают нужными магнитными свойствами. Одно из оригинальных решений этой проблемы предложено недавно специалистами из корейского Института фундаментальной науки. Оно заключается в том, чтобы изолировать магнитный кластер металла от кислородной атаки, поместив его внутрь фуллеренового кластера.

Ранее уже исследовались необычные электрические свойства нанотрубок, внутри которых расположены молекулы С₆₀ (так называемая структура “гороховый стручок”). Аналогичный синтез корейские исследователи использовали для внедрения магнитных кластеров внутрь углеродных нанотрубок и "луковиц" при термическом разложении металлоценов (M(С₅H₅)₂), где М = Ni, Fe, Co. Синтезированные структуры не только не окисляются при комнатной температуре, но и длительное время сохраняют свои химические и магнитные свойства при Т = 180 С. Остаточная намагниченность и некоторые другие магнитные параметры полученных материалов значительно лучше, чем у всех известных нанокластеров металлов, синтезированных в растворе. Однако они (пока еще) хуже, чем в объеме соответствующих чистых металлов.

Рис.2. Эндометалл фуллерена.

Физика магнетизма таких "кластеров в кластерах", по-видимому, весьма сложна и быстро понята не будет. До сих пор не удалось разобраться даже с более простыми ситуациями эндометаллов фуллеренов, в которых лишь один атом металла “пленен” внутри фуллереновой клетки (рис. 2).

Во многих случаях d- и f -электроны таких металлов ведут себя довольно непредсказуемо. В настоящий момент ясно, что в эндометаллах фуллеренов волновая спиновая функция атома металла простирается далеко за пределы “клетки”. Это объясняется тем, что часть электронной плотности с атомов металла передается фуллереновой оболочке. Таким образом, между отдельными углеродными кластерами, содержащими металлические атомы, вполне может установиться обменное взаимодействие, необходимое для выстраивания спинов в одном направлении и возникновения намагниченности.

Что же получается, когда внутрь углеродного кластера помещают не один атом, а целый высокоспиновый кластер? Ясно, что ситуация сильно усложняется. Более изученные фуллерен- фуллереновые кластеры характеризуются необычными проводящими свойствами вдоль нанотрубок. Можно ожидать, что магнитные фуллереновые структуры будут обладать комбинацией электрических и магнитных свойств, востребованных в спинтронике. Отметим, что углеродные кластеры, окруженные стенками кластера железа, исследуются уже давно. Теперь, по-видимому, настала очередь для исследования обратной ситуации.

Источник информации - заметка Р.Моргунова в бюллетене ПерсТ, выпуск 15/16 за 2002 г.