Косвенное обменное взаимодействие в углеродных нанотрубках

Наноструктурированные магнитные композиты на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и ферромагнитных наночастиц (ФНЧ) представляют большой интерес как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения. В частности, одной из особенностей УНТ с ФНЧ является возможность магнитного взаимодействия наночастиц посредством проводящей среды УНТ. Для детального описания этого особого типа взаимодействия – косвенного обменного взаимодействия – необходимо установить взаимосвязь между макроскопическими и микроскопическими параметрами физической системы. В наноструктурированных ферромагнетиках эти зависимости описываются в рамках модели случайной намагниченности, в которой спиновая система и, следовательно, основные макроскопические характеристики (коэрцитивность, восприимчивость, намагниченность насыщения) определяются такими микроскопическими параметрами, как константа обменного взаимодействия, намагниченности ФНЧ, константа локальной магнитной анизотропии и размер магнитного зерна. В данной работе, на основе полученных ранее микроскопических параметров нанокомпозитов УНТ – ФНЧ рассматривается возможность получения дальнодействующих магнитных корреляций посредством косвенного обменного взаимодействия (КОВ) между ФНЧ, встроенными внутрь многостенной УНТ (МУНТ). Используется модельный гамильтониан, учитывающий диаметр, хиральность, химический потенциал и спинорбитальное взаимодействие (СОВ) в системе. Причина возникновения заметного СОВ в УНТ – кривизна трубок, которая усиливает СОВ по сравнению с графеном, а также возможные дефекты и наличие ФНЧ. КОВ реализуется посредством p-электронов внутренней стенки МУНТ. Рассчитывается распределение спиновой восприимчивости вдоль оси МУНТ и показано, что при условии попадания химического потенциала в щель, открываемую СОВ, реализуется дальнодействующий магнитный порядок. Когерентность реализуется на расстояния до единиц микрон. Предложенный подход позволил также оценить энергию обменного взаимодействия между ФНЧ, относящимся к одной УНТ. Полученные результаты указывают на перспективность применения УНТ – ФНЧ нанокомпозита в углеродной спинтронике.

1. Weller D., Moser A., Folks L., Best M.E., Lee W., Toney M.F., Schwickert M., Thiele J.-U., Doerner M.F. High KU materials approach to 100 Gbit/in2. IEEE Trans. Magn. 2000;36(1):10-15.

2. Socoliuc V., Peddis D., Petrenko V.I., Avdeev M.V., Susan-Resiga D., Szabó T., Turcu R., Tombácz E., Vékás L. Magnetic nanoparticle systems for nanomedicine – a materials science perspective. Magnetochemistry. 2020;6(1):36.

3. Liu J.P. Ferromagnetic nanoparticles: synthesis, processing, and characterization. JOM. 2010;62(4):56-61.

4. Danilyuk A.L., Prudnikava A.L., Komissarov I.V., Yanushkevich K.I., Derory A., Le Normand F., Labunov V.A., Prischepa S.L. Interplay between exchange interaction and magnetic anisotropy for iron based nanoparticles in aligned carbon nanotube arrays. Carbon. 2014;68:337-345.

5. Chudnovsky E.M. Magnetic properties of amorphous ferromagnets. J. Appl. Phys. 1988;64(11):5770-5775.

6. Chudnovsky E.M., Saslow W.M., Serota R. A. Ordering in ferromagnets with random anisotropy. Phys. Rev. B. 1986;33(1);251-261.

7. Danilyuk A.L., Komissarov I.V., Labunov V.A., Le Normand F., Derory A., Hernandez J.M., Tejada J., Prischepa S.L. Manifestation of coherent magnetic anisotropy in a carbon nanotube matrix with low ferromagnetic nanoparticle content. New J. Phys. 2015;17(2):023073.

8. Danilyuk A.L., Kukharev A.V., Cojocaru C.S., Le Normand F., Prischepa S.L. Impact of aligned carbon nanotubes array on the magnetostatic isolation of closely packed ferromagnetic nanoparticles. Carbon. 2018;139:1104-1116.

9. Prischepa S.L., Danilyuk A.L., Kukharev A.V., Le Normand F., Cojocaru C.S. Self-assembled magnetically isolated co nanoparticles embedded inside carbon nanotubes. IEEE Trans. Magn. 2019;55(2):2300304.

10. Danilyuk A.L., Komissarov I.V., Kukharev A.V., Le Normand F., Hernandez J.M., Tejada J., Prischepa S.L. Impact of CNT medium on the interaction between ferromagnetic nanoparticles. Europhys. Lett. 2017;117(2):27007.

11. Schulz A., De Martino A., Ingenhoven P., Egger R. Low-energy theory and RKKY interaction for interacting quantum wires with Rashba spin-orbit coupling. Phys. Rev. B. 2009;79(20):205432.

12. Klinovaja J., Loss D. RKKY interaction in carbon nanotubes and graphene nanoribbons. Phys. Rev. B. 2013;87(4);045422.

13. Klinovaja J., Schmidt M.J., Braunecker B., Loss D. Helical modes in carbon nanotubes generated by strong electric fields. Phys. Rev. Lett. 2011;106(15):156809.

14. Stetter A., Vancea J., Back C.H. Determination of the intershell conductance in a multiwall carbon nanotube. Appl. Phys. Lett. 2008;93(17):172103.

15. Kogan E. RKKY interaction in graphene. Phys. Rev. B. 2011;84(11):115119.

16. Ciechan A., Bogusławski P. Theory of the s, p–d coupling of transition metal impurities with free carriers in ZnO. Sci. Rep. 2021;11(2):3848.

17. Leon A.O., d`Albuquerque e Castro J., Retamal J.C., Cahaya A.B., Altbir D. Manipulation of the RKKY exchange by voltages. Phys. Rev. B. 2019;100(1):014403.

18. Havlicek M., Jantsch W., Wilamowski Z., Yanagi K., Kataura H., Rümmeli M.H., Malissa H., Tyryshkin A., Lyon S., Chernov A., Kuzmany H. Indirect exchange interaction in fully metal-semiconductor separated single-walled carbon nanotubes revealed by electron spin resonance. Phys. Rev. B. 2012;86(4):045402.