http://phys.org/news/2013-03-evidence-magnetic-superatoms-doors-electronics.html
By Lisa Zyga, March 22, 2013
(Phys.org) -- 科學家發現磁性超級原子（magnetic superatoms） -- 小而密實的一簇簇原子，其電子在整簇原子而非單個原子四周佔據一組軌域 -- 存在的證據。若科學家能以磁力特性合成超級原子，那麼有朝一日，他們也許能用它們來創造與自旋相關的新電子產品。
研究者 Xinxing Zhang（音譯：張欣欣）等人，來自 Johns Hopkins University (馬里蘭州 Baltimore)、Universitaet Konstanz (德國 Konstanz) 以及 Virginia Commonwealth University (維州 Richmond) ，已將他們在磁性超級原子上的發現，發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 上。
為了尋找穩定、磁性超級原子的存在證據，研究者利用第一原理計算（first principles calculations）與光譜學實驗來探索超級原子的軌域、基態、自旋特性，以及磁性。
先前研究已證明：雖然超級原子的軌域形狀類似單個原子，不過在超級原子軌域上的電子填充與單個原子上的卻有所不同。在單個原子中，軌域填充遵循罕德定則（Hund's rule），故在某個副殼層（subshell，子殼層）中的任一軌域被雙重佔據前，每個軌域都會先被一個電子所佔據。這種方式通常導致更好的原子穩定性。
然而，由於空間扭曲，超級原子軌域以不同方式被填滿，結果就是超級原子一般來說為非磁性。使磁性超級原子穩定的方法之一是引入一額外的過渡金屬原子，那能透過其特殊的、與超級原子混成的軌域配置產生磁力，並使磁性狀態穩定。
在這項新研究中，科學家證明，一個非磁性的、由八個鈉原子組成的原子簇，再添加一個釩原子以填充某些軌域後，即可獲得磁性。結果是一個具有穩定磁性的超級原子 VNa8，那能在分子束內被合成。
"雖然在分子束內製造 VNa8 並不困難，但你應該會預期，要以巨觀數量的方式來製造它們將會更具挑戰性，" 共同作者 Kit Bowen 表示，Johns Hopkins 大學的化學物理教授。
如果磁性超級原子能被支撐在一基質上並用以產生自旋極化電流（spin-polarized electric currents），那麼它可能因實用目的而受到關注。在這種情況下，磁性超級原子能用來建立自旋相依電子產品。
"在自旋電子學與其他應用上，這種新超級原子在分子電子裝置中將有很大的潛力，" 共同作者 Shiv Khanna 表示，Virginia Commonwealth 大學的物理學教授。"在最近一項研究中，我的小組證明，一個由二個超級原子構成的分子能導致高度自旋極化電流。最小自旋軌道（spin orbit）能確保電子自旋維持在其方向上好長一段時間，那對於自旋電子學的應用來說很重要。我們也發現這樣的裝置能導致高磁阻（high magneto resistance）。
研究者計畫在未來要繼續探索磁性超級原子以及能用它們來做什麼。
"我的小組目前正更進一步推展我們的概念，以提出像這樣、但類型不同的超級原子以及每一組所提供的特性，" Khanna 表示。"在另一方面，我們正與合成化學家討論，看看我們是否能製造出某種由磁性超級原子基石的組合所構成的材料。"
※ 相關報導：
＊ On the Existence of Designer Magnetic Superatoms
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja400830z
Xinxing Zhang, Yi Wang, Haopeng Wang, Alane Lim,＊ 研究者發現具磁性殼層的「超級原子」
Gerd Gantefoer, Kit H. Bowen, J. Ulises Reveles,
and Shiv N. Khanna.
J. Am. Chem. Soc., Article ASAP
doi: 10.1021/ja400830z
＊ 首度以微波達成二原子的量子糾結
＊ 以玻璃纖維計算原子數量
＊ 科學家首次證明原子系綜間的量子遙傳
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