Magnetisme genereret i 2D organisk materiale ved stjernelignende arrangement af molekyler

Et 2D nanomateriale bestående af organiske molekyler knyttet til metalatomer i en specifik atomskala geometri viser ikke-trivielle elektroniske og magnetiske egenskaber på grund af stærke vekselvirkninger mellem dets elektroner.

En ny undersøgelse, offentliggjort i dag, viser fremkomsten af ​​magnetisme i et 2D-organisk materiale på grund af stærke elektron-elektron-interaktioner; disse interaktioner er den direkte konsekvens af materialets unikke, stjernelignende atomskala struktur.

Dette er den første observation af lokale magnetiske momenter, der opstår fra interaktioner mellem elektroner i et atomisk tyndt 2D organisk materiale.

Resultaterne har potentiale for anvendelse i næste generations elektronik baseret på organiske nanomaterialer, hvor tuning af interaktioner mellem elektroner kan føre til en lang række elektroniske og magnetiske faser og egenskaber.

Stærke elektron-elektron interaktioner i et 2D organisk kagome materiale

Monash University-undersøgelsen undersøgte et 2D-metal-organisk nanomateriale sammensat af organiske molekyler arrangeret i en kagome-geometri, det er, efter et "stjernelignende" mønster.

Det 2D metal-organiske nanomateriale består af dicyanoanthracen (DCA) molekyler koordineret med kobberatomer på en svagt interagerende metaloverflade (sølv).

Ved hjælp af omhyggelige og atomisk præcise scanning probe mikroskopi (SPM) målinger, forskerne fandt ud af, at den 2D metal-organiske struktur - hvis molekylære og atomare byggesten i sig selv er ikke-magnetiske - er vært for magnetiske momenter, der er begrænset til bestemte steder.

Teoretiske beregninger viste, at denne emergent magnetisme skyldes stærk elektron-elektron Coulomb frastødning givet af den specifikke 2D kagome geometri.

"Vi tror, ​​at dette kan være vigtigt for udviklingen af ​​fremtidens elektronik- og spintronikteknologier baseret på organiske materialer, hvor tuning af interaktioner mellem elektroner kan føre til kontrol over en lang række elektroniske og magnetiske egenskaber, " siger FLEET CI A/Prof Agustin Schiffrin.

Direkte sondering af magnetisme via Kondo-effekten

Elektronerne i 2D-materialer med en kagome-krystalstruktur kan udsættes for stærke Coulomb-interaktioner på grund af destruktiv bølgefunktionsinterferens og kvantelokalisering, fører til en bred vifte af topologiske og stærkt korrelerede elektroniske faser.

Sådanne stærke elektroniske korrelationer kan manifestere sig via fremkomsten af ​​magnetisme, og, indtil nu, er ikke blevet observeret i atomisk tynde 2D organiske materialer. Sidstnævnte kan være fordelagtigt for solid state-teknologier på grund af deres tunerbarhed og selvsamlingsevne.

I dette studie, magnetisme som følge af stærke elektron-elektron Coulomb-interaktioner i et 2D kagome-organisk materiale blev afsløret via observation af Kondo-effekten.

"Kondo-effekten er et mangelegeme-fænomen, der opstår, når magnetiske momenter afskærmes af et hav af ledningselektroner. F.eks. fra et underliggende metal, " siger hovedforfatter og FLEET-medlem Dr. Dhaneesh Kumar. "Og denne effekt kan detekteres med SPM-teknikker."

"Vi observerede Kondo-effekten, og derfra konkluderede, at det organiske 2D-materiale skal være vært for magnetiske momenter. Spørgsmålet blev så 'hvor kommer denne magnetisme fra?'."

Teoretisk modellering af Bernard Field og kolleger viste utvetydigt, at denne magnetisme er den direkte konsekvens af stærke Coulomb-interaktioner mellem elektroner. Disse interaktioner vises kun, når vi bringer de normalt ikke-magnetiske dele ind i en 2D kagome metal-organisk ramme. Disse interaktioner hindrer elektronparring, med spin af uparrede elektroner, der giver anledning til lokale magnetiske momenter.

"Teoretisk modellering i denne undersøgelse giver et unikt indblik i rigdommen af ​​samspillet mellem kvantekorrelationer, og de topologiske og magnetiske faser. Undersøgelsen giver os et par tip til, hvordan disse ikke-trivielle faser kan kontrolleres i 2D kagome-materialer til potentielle anvendelser i banebrydende elektronikteknologier, " siger FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar.