|
محققان اسپانیایی دریافته‌اند که مغناطیسی شدن می‌تواند در نانوجزیره‌های
مغناطیسی اتفاق بیافتد. این پدیده بسیار جالب (گرافن در مقیاس اتمی
مغناطیسی نیست) نشاندهنده نوع جدیدی از مغناطیسی شدن است که به شکل
نانوخوشه‌ها بستگی دارد.
ابزارهای مبتنی بر گرافن عرصه جدیدی از تحقیقات را در زمینه نانوالکترونیک
گشوده‌اند. گرافن یک نیمه‌هادی دوبعدی واقعی با شکاف صفر است که ویژگی‌های
انتقالی و انتقال مغناطیسی ویژه‌ای دارد. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند گرافن
نسبت به نیمه‌هادی‌ها و فلزات دیگر کاملاً متفاوت باشد. مثلاً باید الکترون‌ها
را در گرافن به عنوان ذرات نسبیتی به اسم فرمیون‌های دیراک بی‌جرم در نظر
گرفت، در صورتی که در رساناهای دیگر می‌توان الکترون‌ها را توسط مکانیک
کوانتومی غیرنسبیتی توصیف کرد.
محققان انتظار دارند به دلیل اثرات سطحی و گوشه‌ای، ساختار الکترونی گرافن
نسبت به گرافن توده‌ای متفاوت باشد. در حالی که گرافن توده‌ای یک شبه‌فلز
دیامغناطیس است، نوارهای یک بعدی گرافنی با گوشه‌های زیگزاگ باید نیمه‌هادی
باشند، زیرا برهمکنش‌های مغناطیسی موجب ایجاد یک شکاف انرژی می‌شوند.
جوآکین فرناندز روسیر از دانشگاه آلیکانت می‌گوید: «ما در ماده‌ای که
مغناطیس اتمی ندارد، قطبی‌شدن اسپین خودبه‌خودی یافته‌ایم که مرتبط با شکل
و اندازه نانوساختار می‌باشد».
نتایج بسیار جالب
حالت مغناطیسی استاندارد در جامدات در ماده‌ای روی می‌دهد که اتم‌های آن
مغناطیسی هستند (همچون منگنز، آهن، نیکل، و کبالت). مغناطیسی شدن در این
اتم‌ها زمانی روی می‌دهد که لایه‌های اتمی هم‌تراز کاملاً پر نشده‌اند.
زمانی که اسپین‌ها در لایه‌های اتمی هم‌تراز هستند، نیروی دافعه کولمبی به
حداقل می‌رساند؛ به این قضیه قانون هوند می‌گویند.
فرناندز روسیر توضیح می‌دهد که برعکس حالت معمول، در جزیره‌های گرافنی
مغناطیسی شدن به این دلیل روی می‌دهد که خوشه‌هایی با شکل خاص (همانند
مثلثی یا شش‌ضلعی) حالت‌های هم‌تراز نیمه‌پرشده‌ای دارند که روی اتم‌های
گوشه گسترده شده‌اند. وی می‌گوید: «این حالت مخصوص ساختار اتمی گرافن است.
همانند قانون هوند برای اتم‌ها، در اینجا نیز بیشینه کردن اسپین موجب کاهش
نیروی دفع کولمبی در این شکل‌ها در مقیاس ابراتمی می‌شود».
این محققان ساختار الکترونی سه‌ضلعی‌ها و شش‌ضلعی‌های گرافنی را با
ابزارهای مختلفی مورد بررسی قرار دادند. آنها در ساده‌ترین حالت از تقریب‌زنی
غیربرهمکنشی هوکل برای محاسبه سطوح انرژی نانوجزیره‌های گرافنی (با چشم‌پوشی
از برهمکنش‌های کولمبی میان الکترون‌ها) استفاده کردند. فرناندز روسیر می‌گوید:
«این روش گرافن را به درستی به عنوان یک نیمه‌هادی با شکاف صفر با باندهای
خطی نزدیک به انرژی فرمیر توصیف می‌کند».
|
