Magnetisch oppervlak maakt precieze atoommigratie mogelijk bij bijna absolute nul

Adatomen zijn enkele atomen die worden geadsorbeerd op het oppervlak van een vast materiaal en erom bekend is dat ze willekeurig van de ene plek naar de andere springen. In een recente studie gepubliceerd in Natuurcommunicatieeen groep wetenschappers uit Duitsland heeft aangetoond dat afzonderlijke atomen in een gekozen richting kunnen worden gestuurd bij bijna absolute nultemperaturen (4 kelvin), op voorwaarde dat het oppervlak dat wordt gebruikt magnetisch van aard is-een ontdekking die nieuwe mogelijkheden kan openen voor precieze controle van atoombeweging, een gezochte vaardigheid in het veld van nanotechnologie, gegevensopslag en functionele materialen.

De onderzoekers plaatsten individuele kobalt-, rhodium- en iridiumatomen op een 1-atoom-dikke mangaanoppervlak om een ​​magnetisch goed gedefinieerd oppervlak te creëren en bestudeerden het migratiegedrag van aDatoms met behulp van een scanning-tunnelmicroscoop (STM) bij een temperatuur van 4 K.

Volgens vastgestelde bevindingen van niet -magnetische oppervlakken wordt atomaire beweging meestal beheerst door oppervlaktesymmetrie. In een zeshoekige mangaanmonolaag zoals degene die in het onderzoek wordt gebruikt, wordt van atomen verwacht dat ze willekeurig migreren in een van de zes richtingen. Maar in een verrassende wending ontdekten onderzoekers dat toen een korte, gelokaliseerde spanningspuls van de STM werd toegepast, de atomen consequent in slechts één richting bewogen.

Atomische en moleculaire diffusie op oppervlakken is een fundamenteel proces in oppervlaktechemie, omdat het cruciaal is voor de groei van nanostructuren en films en een breed scala aan chemische reacties, waaronder katalyse en moleculair zelfassemblage. Inzicht in de realtime dynamiek van atoombeweging en hun gedrag onder verschillende oppervlakte-omstandigheden en externe stimuli is essentieel voor optimalisatie in oppervlaktewetenschap.

Studies die atomaire beweging op niet-magnetische oppervlakken onderzoeken, hebben aangetoond dat de onderliggende oppervlaktesymmetrie een cruciale rol speelt bij het begeleiden van hun beweging, die vaak isotrope diffusie vertonen (dezelfde diffusie in elke richting) op hoog-symmetrie oppervlakken. Hoewel niet-magnetische oppervlakken en oppervlaktesymmetrie uitgebreid zijn bestudeerd, blijft de invloed van magnetisme op diffusie grotendeels onontgonnen experimenteel. Dit ondanks theoretische voorspellingen die suggereren dat magnetisme een sterke invloed heeft op de diffusie van de adatom, met name op ferromagnetische en antiferromagnetische oppervlakken.

In de studie ontwierpen de onderzoekers een magnetisch geordend oppervlak door een enkele laag mangaan (MN) atomen op een rhenium (RE) substraat te dampen. Deze precieze opstelling creëerde een zeshoekige kristalstructuur met een rijgewijze antiferromagnetische toestand, waar de magnetische momenten de richting van de ene atoomrij naar de volgende wisselen.

Individuele atomen van het magnetische element kobalt (CO) en de niet-magnetische elementen Rhodium (RH) en iridium (IR) werden afgezet op het MN/RE-oppervlak en hun beweging werd geactiveerd met behulp van lokale spanningspulsen van de STM-tip. Afbeeldingen van STM toonden aan dat de atomen strikt eendimensionaal bewogen langs rijen parallelle spins, en Cobalt was degene die het verst naar de verste bewegen toen hij werd geïnitieerd door spanningspulsen.

Simulaties onthullen dat atomen gemakkelijker langs de magnetische rijen van het oppervlak bewegen dan erover door magnetische interacties tussen de adatom en de oppervlakteatomen, waar beide werken als kleine staafmagneten. In het geval van magnetische kobaltatomen vond deze interactie plaats als gevolg van hun eigen magnetische moment. Voor niet -magnetische atomen zoals rhodium of iridium wordt de beweging echter geleid door een klein magnetisch moment dat wordt geïnduceerd door het oppervlak zelf.

Deze studie onthult een nieuwe manier om de beweging van individuele atomen te regelen met behulp van magnetisme. Directionele regeling ontgrendelen op atoomniveau is een game-wisselaar voor het ontwerpen van krachtige technologieën met atomaire precisie, van nano-engineered materialen tot kwantumcircuits.