Ein Forschungsteam der Virginia Commonwealth University (VCU) hat eine neue Klasse von „Superatomen“ entdeckt – ein stabiler Cluster von Atomen, der verschiedene Elemente des Periodensystems imitieren kann – mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften.
Das Superatom enthält magnetisierte Magnesium-Atome, ein Element, das normalerweise als nicht magnetisch erachtet wird. Der metallische Charakter von Magnesium könnte mit dem eingebrachten Magnetismus eines Tages dafür verwendet werden, um molekulare elektronische Bauteile für die nächste Generation von schnelleren Prozessoren, größerem Speicher und Quantencomputern herzustellen.
Ein einer in der Early Edition der Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie berichtet das Team, dass der neu entdeckte Cluster aus einem Eisen-Atom und acht Magnesium-Atomen besteht und wie ein winziger Magnet agiert, der seine magnetische Kraft aus dem Eisen- und den Magnesium-Atomen bezieht. Die kombinierte Einheit entspricht der magnetischen Stärke eines einzelnen Eisen-Atoms, während sie es Elektronen mit einer spezifischen Spin-Ausrichtung erlaubt, sich in dem Cluster zu verteilen.
In einer Reihe ausführlicher theoretischer Studien untersuchten Dr. Shiv N. Khanna, Commonwealth Professor im Department of Physics der Virginia Commonwealth University und sein Team die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Clustern, in denen ein Eisen-Atom von mehreren Magnesium-Atomen umgeben ist. Zu dem Team gehörten der Dozent J Ulises Reveles und der Postdoktorand Victor M. Medel von der VCU; der Evan Pugh Professor of Chemistry and Physics A. W. Castleman Jr., sowie Prasenjit Sen und Vikas Chauhan vom Harish.Chandra Research Institute in Allahabad (Indien).
„Unsere Arbeit öffnet einen neuen Weg, normalerweise nicht magnetischen Elementen durch kontrollierte Verbindung mit einem einzelnen magnetischen Atom einen magnetischen Charakter zu verleihen. Ein wichtiges Ziel war es herauszufinden, welche Kombinationen von Atomen zu einer stabilen Form führen würde, wenn wir mehrere Einheiten zusammen bringen“, sagte Khanna.
„Die Kombination aus magnetischen und leitenden Eigenschaften war angestrebt. Magnesium ist ein guter Elektrizitätsleiter und deswegen kombiniert das Superatom den Nutzen des magnetischen Charakters mit der Leitfähigkeit in seiner äußeren Hülle“, sagte er.
Das Team fand heraus, dass die Cluster mit acht Magnesium-Atomen zusätzliche Stabilität aufgrund gefüllter Elektronenschalen erlangten, die weit entfernt von den unbesetzten Schalen lagen. Ein Atom ist in einer stabilen Konfiguration, wenn seine äußerste Schale besetzt ist und weit entfernt von unbesetzten Schalen liegt, wie es in reaktionsträgen Gasatomen der Fall ist. Khanna sagte, dass dieses Phänomen normalerweise mit Elektronenpaaren auftritt, die nicht magnetisch sind, aber in dieser Studie zeigte die magnetische Elektronenschale Stabilität.
Khanna zufolge hatte der neue Cluster ein magnetisches Moment von vier Bohrschen Magnetons, was fast doppelt soviel wie das eines Eisen-Atoms in festen Eisenmagneten ist. Ein magnetisches Moment ist ein Maß für die magnetische Kraft des Clusters. Obwohl das Periodensystem mehr als Hundert Elemente umfasst, gibt es nur neun Elemente, die in fester Form einen magnetischen Charakter aufweisen.
„Eine Kombination wie die von uns geschaffene kann zu signifikanten Entwicklungen im Bereich der ‚Molekular-Elektronik‘ führen, wo solche Bauteile den Fluss von Elektronen mit bestimmter Spin-Ausrichtung erlauben, etwa Anwendungen wie Quantencomputer. Diese molekularen Bauteile könnten auch dabei helfen, dichter integrierte Geräte, schnellere Datenverarbeitung und andere nützliche Anwendungen zu konstruieren.“, sagte Reveles.
Khanna und sein Team führen derzeit vorbereitende Studien Einheiten der neuen Superatome durch und haben aussichtsreiche Beobachtungen gemacht, die Anwendungen in der Spintronic nach sich ziehen könnten. Spintronic ist ein Prozess, der den Elektronenspin verwendet, um neue Bauteile für Speicher und Datenverarbeitung herzustellen.
Diese Forschungsarbeit wurde vom U.S. Department of Energy unterstützt.
Quelle: http://www.news.vcu.edu/news/Researchers_Discover_Superatoms_with_Magnetic_Shells
(THK)
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