工业在从数据存储和手机到电机和传感器的应用中使用磁性材料。随着技术向越来越小的规模发展，研究人员一直在寻找新的磁性粒子。在这项研究中，研究人员首先从理论上预测、设计并合成了一种新的、极小的、热稳定的磁性纳米粒子。

纳米粒子被设计成一个小的对称原子簇，充当超原子。在超原子中，量子限制导致原子簇的电子状态呈现出一种模拟单个原子的电子壳和占据的排列。这赋予了超原子在自然界中罕见的独特性质。在新的纳米粒子中，填充了两个不同的电子亚壳；一个有 57 个电子，另一个有 50 个电子。

这种双壳填充产生了能量稳定性，使超原子能够被合成，并产生稳定的磁性排序，使超原子具有独特的特性。

影响

研究人员可以使用新的磁团来制造具有可编程特性的材料。这些包括电导率、光学特性以及可调谐和可切换的磁性排序。研究人员可以调整集群以接受或捐赠多个电子。这为多组分磁性固体打开了大门。

簇也可以沉积在二维半导体上。这改变了半导体与电子相互作用的方式，并允许研究人员为新应用定制半导体。

概括

原子物理学中的洪德法则和固态物理学中的斯托纳模型描述了原子和铁磁金属中产生自旋磁矩的传统机制。在这两个模型中，价电子通过占据半满轨道来避免配对，这增加了交换能量并降低了库仑排斥。在这项工作中，来自弗吉尼亚联邦大学、哥伦比亚大学和哈佛大学的研究人员详细介绍了一种形成磁矩的新机制，其中电子在簇中的量子限制将其电子结构分裂成具有不同自旋方向和可用数量的不同子壳。轨道。

填充每个子壳以达到闭壳电子配置稳定了簇并产生了不同的自旋占据，即磁矩。这种机制与控制磁性半导体的机制有着惊人的相似之处，但它在纳米尺度上是独一无二的。Jahn-Teller 畸变通常会阻止在团簇中形成高自旋态，但双亚壳填充机制会导致高电子稳定性和大磁矩。

这对于基于自旋的电子学应用来说是理想的，因为电子结构本质上是自旋极化的，并且填充两个子壳产生的磁矩对于结构扭曲和缺陷具有鲁棒性。