
Ученые из Японии и Тайваня смогли экспериментально проследить за спиновым состоянием «одноатомных
магнитов» — отдельных атомов железа или хрома, встроенных в графеновую решетку. Авторы считают, что их результаты могут найти применение не только в спинтронике и фундаментальной физике, но и в биологии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters,
кратко о ней сообщает журнал Physics.
Спин электрона — квантовая характеристика (собственный момент импульса), которая порождает
дополнительный магнитный момент, то есть приводит к дополнительному
взаимодействию (по сравнению с классической электродинамикой) с магнитным
полем. Электроны в атоме располагаются на определенных энергетических уровнях, которые носят название орбиталей. При этом на одной орбитали может располагаться только два электрона с противоположными спинами (согласно принципу Паули), если на ней есть только один, то он называется неспаренным. Некоторые орбитали являются вырожденными по энергии — это значит, что есть несколько пространственно-разделенных состояний с одинаковой энергией. Тогда в каждом из таких «состояний» также может находиться только два спаренных электрона. 
Атомы или ионы проявляют магнитные свойства — обладают ненулевым
магнитным моментом — если на их внутренней незаполненной орбитали есть
неспаренные электроны, то есть суммарный спин такой системы не равен нулю. Поэтому многие переходные элементы являются «магнитными»
— у них как раз происходит заполнение внутренней 3d-орбитали, при этом внешняя 4s-орбиталь может быть частично
или полностью заполнена. 
Поиск новых перспективных способов «замораживания» и переключения
спиновых состояний отдельных атомных или магнитных образований — основная задача спинтроники. Однако для того, чтобы
отдельный атом выступал как элементарная единица информации, от него требуется
достаточно сильный сигнал — а, значит, максимально возможный магнитный момент. То
есть атом (или ион) должен находиться в так называемом высокоспиновом состоянии,
когда максимальное количество электронов на его оболочке неспарены. Такие «одноатомные
магниты» стали бы не только перспективными
«битами» для применения в спинтронике, но и идеальными объектами для изучения квантовых
состояний в отдельных атомах. 
Авторы данной работы решили реализовать идею «одноатомных
магнитов» на практике. Для этого они создали дыры в графеновом слое, в которые
затем встроили атомы железа или хрома. Чтобы создать разное химическое окружение
для «магнитного атома», ученые использовали три разных способа «пробивания» дыр
— 1) электронный пучок, тогда вакансия окружена только атомами углерода, 2)
озоновая плазма, которая приводит к присоединению кислорода к вакансии, 3) озоново-азотная
плазма, которая преимущественно «встраивает» в вакансии азот. Разное химическое
и геометрическое окружение «магнитного атома» может приводить к его разным
спиновым состояниям, а значит, к разным магнитным моментам. Авторы работы
хотели выяснить, как именно соотносится тип окружения и спиновое состояние "одноатомного
магнита«.
