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以顯微鏡堆積木─奈米磁鐵

德國科學家最近成功利用自旋極化掃描穿隧式顯微鏡(spin-polarized scanning tunneling microscope)將原子逐個組裝成奈米磁鐵(nanomagnet)。這種方法可以製作出不同形狀的奈米磁鐵,且其特性可以直接加以量測並與電腦模擬結果相比較。至於實驗量測與模擬不符之處,研究人員認為是因為有新的基本原子級磁性效應存在所致。

圖片來源:nanotechweb.org

漢堡大學的 Jens Wiebe 表示,他們使用的技術與兒童玩的樂高積木很類似,扮演積木的鐵原子位於乾淨的銅表面上,它們像羅盤指針一樣不是朝上就是朝下。因此研究人員能以不同的形式將它們組成奈米磁鐵。

這個由 Roland Wiesendanger 領導的研究團隊利用自旋極化掃描穿隧式顯微鏡的探針針尖來建造奈米磁鐵。當針尖離銅基板上的鐵原子還有一段距離時,它能感測並定出原子的位置,待針尖靠近原子後,它能「拾起」原子並將它移至他處。依此方式,研究人員像堆樂高積木般組裝出如鍊狀、三瓣或花朵等不同形狀的結構。由於探針尖鍍上了磁性材料,該團隊還能測量磁鐵中個別鐵原子的磁化曲線。

該團隊直接比較測量結果與易辛模型(Ising model)的計算所得,發現鍊狀結構磁化曲線的測量結果與理論預測在高外加磁場下非常吻合,但在低磁場下兩者卻有差異,斜率甚至符號相反。 Wiebe 推測,在低磁場下,可能多出一個與外加磁場反方向的額外磁場,或是出現一個與鐵原子鍊呈反鐵磁性耦合的磁矩。事實上,若在易辛模型中加上適當的反向磁場或磁矩,該團隊便能模擬出實驗的結果,不過他們並不清楚反向磁場或磁矩的起源,不過發現它們似乎只影響鍊狀結構,對三瓣或花朵等更緊密的結構沒有作用。

該團隊指出,相同的技術如果應用在更多原子組成的磁鐵上,將可用來研究更重要的基礎磁性問題,例如特定固態材料的自旋玻璃(spin glass)或自旋液體(spin liquid)等磁性狀態。目前該團隊正在利用週期表上的元素組合試圖製造出新穎的奈米硬磁鐵。詳見 Nature Physics | doi:10.1038/nphys2299。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Building novel nanomagnets atom by atom—nanotechweb.org [2012-05-04]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-05-07]

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