Hundovy příměsi

Perex
Atomy železa adsorbované na povrchu platiny byly zkoumány řádkovacím tunelovacím mikroskopem za měnících se podmínek (změny teploty, přítomnost nebo nepořítomnost vodíku). Teoretický rozbor pozorovaného magnetického chování ukazuje, že tyto atomy se chovají jako tazvané Hundovy příměsi. Ty lze chápat jako základní komponenty jedné ze skupin vysokoteplotních supravodičů.
Text
Vlastnosti materiálů používaných v dnešních elektronických součastkách jsou odvozeny z chování valenčních elektronů. Důležitou charakteristikou elektronů je jejich spin, což je, zjednodušeně řečeno, směr rotace elektronu kolem jeho osy. Jak si už před téměř devadesáti lety uvědomil německý fyzik Friedrich Hund (1896 – 1997), elektrony vázané v atomu mají tendenci rotovat všechny ve stejném směru. Tomuto jevu se dnes říká Hundovo pravidlo (viz obrázek).
Elektrický proud v elektronických součástkách není nic jiného než přeskakovaní valenčních elektronů z jednoho atomu na druhý, přičemž snaha o splnění Hundova pravidla se může podstatným způsobem projevit na makroskopických vlastnostech materiálu. Kovy, v nichž je pohyb elektronů významně ovlivněn Hundovým pravidlem, jsou označovány jako Hundovy kovy. Důležitými reprezentanty těchto kovů jsou vysokoteplotní supravodiče založené na sloučeninách železa, které jsou v poslední době velmi intenzivně studovány. Supravodiče vykazují nulový elektrický odpor, protože elektrony v nich se mohou pohybovat bez ztráty energie. V dnes známých materiálech je supravodivý proud možný pouze při velmi nízkých teplotách, což komplikuje a prodražuje průmyslové aplikace. Vědecká komunita proto intenzivně hledá nové materiály, které by vykazovaly supravodivost i při pokojové teplotě, čímž by se téměř jistě vyřešily mnohé z problémů dnešních informačních technologií. Detailní pochopení elektronových vlastností Hundových kovů a jejich dílčích složek by mohlo toto hledání výrazně zefektivnit.
Takové dílčí komponenta Hundova kovu, zvaná Hundova příměs, byla zrealizována nanesením atomů železa a vodíku na povrch platiny. Vodíkové atomy bylo následně možné kontrolovaně odstranit s pomocí hrotu řádkovacího tunelového mikroskopu. Porovnáním naměřených dat s pokročilými počítačovými simulacemi bylo zjištěno, že přítomnost/nepřítomnost vodíku má významný vliv na elektronové vlastnosti Hundovy příměsi. V blízké budoucnosti by mělo být možné umístit více takových příměsí do těsné blízkosti, a tudíž kontrolovaně sestavit Hundův kov z jeho základních stavebních kamenů. Studium takových objektů je jednou z cest k cílenému vývoji nových vysokoteplotních supravodičů.


Levý panel: Zaplňování pěti elektronových orbitalů v atomu (čtverce) pěti nebo šesti elektrony se spinem směřujícím nahoru (červené šipky) nebo se spinem dolů (modré šipky) podle Hundových pravidel. Pro přidání šestého elektronu je nutné dodat energii UCoulomb pro překonání elektrostatického odpuzovaní záporně nabitých elektronů. Pro otočení spinu jednoho z pěti elektronů je také třeba dodat energii (JHund), která je typicky menší než UCoulomb. Prostřední panel: Obrázek z řádkovacího tunelovacího mikroskopu ukazující atom železa (kužel s červenou špičkou) a tři molekuly sestávající z atomu železa a vodíku (kužely se žlutou špičkou) na povrchu platiny. Pravý panel: Vodíkový atom byl z molekuly vpravo dole odstraněn s pomocí hrotu řádkovacího tunelovacího mikroskopu.

A. A. Khajetoorians, M. Valentyuk, M. Steinbrecher, T. Schlenk, A. Shick, J. Kolorenč, A. I. Lichtenstein, T. O. Wehling, R. Wiesendanger and J. Wiebe: Tuning emergent magnetism in a Hund's impurity, Nature Nanotechnology 10, 958–964 (2015)