Инженеры уже некоторое время рассматривают органические материалы, включая те, что состоят только из углеродных атомов, как заманчивую и более дешёвую в производстве альтернативу используемым сегодня кремнию и металлам. Группа исследователей из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония) выяснила подлинную природу магнетизма в органических молекулах, свойства чрезвычайно редкого для этого класса материалов, но вместе с тем и совершенно необходимого для производства полностью органической электроники.

Фуллерен C60 (справа), сферическая молекула, состоящая из углеродных атомов, и органический лиганд TDAE (слева), тетракис-диметиламино-этилен (иллюстрация Tohru Sato / RIKEN).

Постоянный магнетизм неорганических материалов, таких как железо, возникает благодаря специфическому внутреннему электронному строению материала, и такое явление называется ферромагнетизмом. В органических материалах ферромагнетизм встречается очень редко ввиду фундаментального отличия их атомно-электронных структур от металлов. Одним из немногих примеров органических магнитов является TDAE-C60 — комплексное соединение, состоящее из центрального ядра фуллерена с присоединённым к нему органическим лигандом тетракис-диметиламино-этиленом. Сразу после открытия этого магнита начались теоретические и экспериментальные изыскания, нацеленные на выявление механизма, который обеспечивает столь неожиданное проявление органического ферромагнетизма. Объяснение эффекта (а лучше — создание «точной модели органического магнетизма») оказало бы материаловедам незаменимую услугу, а там, глядишь, и до «магнитных материалов будущего» было бы рукой подать.

Особенно заинтересованы материаловеды в понимании электронной структуры TDAE-C60 и того, как она причастна к появлению ферромагнетизма. Чтобы решить эту задачу, японские учёные обратились к фотоэлектронной спектроскопии (PES). Облучение монокристалла TDAE-C60 рентгеновскими лучами приводило к возбуждению электронов в кристалле и их выходу с поверхности. При этом исследователи измеряли число и кинетическую энергию выходящих электронов, что позволило получить довольно полную информацию об электронной структуре TDAE-C60 и построить точную теоретическую модель органического магнетизма.

Учёные предположили, что появление магнитных свойств в TDAE-C60 обусловлено полным трансфером (а не частичным сопряжением) одного электрона из органического лиганда TDAE к фуллереновому ядру. Существование образующегося в результате такого трансфера положительно заряженного TDAE подтверждается теоретическими расчётами, проведёнными той же научно-исследовательской группой. Подробно о результатах работы рассказывается в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.

Предыдущие изыскания, касающиеся органического магнетизма, основывалась на теории комплекса с переносом заряда от лиганда к фуллерену, приводящим к внутримолекулярному Ян-Тейлоровскому искажению электронных орбиталей. В рассматриваемой работе ферромагнетизм предполагается в виде следствия упорядочения электронных орбиталей. 

Самое забавное, особенно если вспомнить о планах по замене металлов в качестве магнитных материалов, заключается в том, что даже в случае с TDAE-C60 магнитные свойства проявляются лишь при температурах ниже 16 К. И теперь, имея точные знания о природе магнетизма в этом материале, японские учёные намерены побороться за поднятие этого теплового порога. (В этом смысле ситуация во многом напоминает ВТСП: сколько разговоров, сколько мечтаний... а закончилось всё почти там же, где и началось, с трудом дотянув до температуры жидкого азота. И начинали тоже с температур около 20 К. Но тогда хоть было с чем сравнивать — со сверхпроводниками, работающими при 4 К. В случае же с магнитами придётся сравнивать с металлами, которые прекрасно работают в самом широком спектре температур, включая, конечно, комнатную.)