Magnetisk rækkefølge i et todimensionalt molekylært skakbræt

Opnåelse af magnetisk orden i lavdimensionelle systemer bestående af kun en eller to dimensioner har været et forskningsmål i nogen tid. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , Uppsala-forskere viser, at magnetisk orden kan skabes i et todimensionalt skakbrætgitter bestående af organometalliske molekyler, der kun er et atomlag tykke.

Magnetisk orden er et almindeligt fænomen i tredimensionelle materialer, såsom ferromagnetisk rækkefølge i jernstangsmagneter, hvor de magnetiske øjeblikke på alle jernatomer peger i samme retning. I en eller to dimensioner, langtrækkende magnetisk rækkefølge ved temperaturer højere end nul er ikke mulig, imidlertid, ifølge Mermin-Wagner-sætningen. En mulighed for at opnå en magnetisk fase uden en sådan rækkefølge med lang rækkevidde blev foreslået af Kosterlitz og Thouless (Nobelprisen 2016), der forudsagde, at en topologisk magnetisk hvirvel, hvor de magnetiske øjeblikke peger i forskellige retninger og kompenserer hinanden, kunne realiseres i en todimensionel film.

Forskerne Ehesan Ali og Peter Oppeneer fra Uppsala Universitet har nu vist i et internationalt samarbejde med forskere fra Schweiz og Indien, at der kan oprettes langdistancemagnetisk orden i specialdesignede molekylære systemer bestående af jern- og mangan-phthalocyaninmolekyler. Disse molekyler, som har store ligheder med jernporfyrinerne, der findes i naturligt blod, blev adsorberet på en guldmetaloverflade. Molekylerne reagerer ikke med guldatomer, men i stedet bestille sig selv i et todimensionalt skakbrætmønster bestående af skiftevis jern- og manganbaserede molekyler. I dette todimensionale molekylgitter, forskerne kunne demonstrere magnetisk orden ved lave temperaturer på kun få grader Kelvin.

Gennem store computersimuleringer, Uppsala -forskerne var i stand til at påvise en svag interaktion mellem magnetiske øjeblikke på nabomolekylet, som blev transmitteret gennem guldelektronerne, den såkaldte Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaktion. Selvom metalphthalocyaninmolekylerne ikke reagerer kemisk med ædelmetalguld, guldets elektroner fornemmer de magnetiske spinmomenter på molekylet og sender disse oplysninger til nabomolekylet.

Forskerne opdagede også, at en anden grundlæggende fysisk interaktion, Kondo -screeningen, modvirket den magnetiske rækkefølge. Dette skete, fordi guldelektronerne ændrede deres spin -magnetiske øjeblikke for at neutralisere molekylets øjeblik, noget de ikke helt lykkedes med, og derfor blev magnetisk rækkefølge med lang rækkevidde dannet.

"Det var forbløffende, at vores omhyggelige beregninger kunne fastslå, hvordan magnetisk orden dannes i det molekylære lag, "siger Peter Oppeneer, Professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Uppsala Universitet. "Vores opdagelse kan bane vejen for at studere hidtil ukendte kvantemagnetiske tilstande, og bidrager til realiseringen af ​​molekylær kvantespintronik. "