Hvordan man inducerer magnetisme i grafen

grafen, en todimensionel struktur lavet af kulstof, er et materiale med fremragende mekanisk, elektroniske og optiske egenskaber. Imidlertid, det virkede ikke egnet til magnetiske applikationer. Sammen med internationale partnere, Empa-forskere er nu lykkedes med at syntetisere en unik nanografen forudsagt i 1970'erne, som endegyldigt demonstrerer, at kulstof i meget specifikke former har magnetiske egenskaber, der kunne tillade fremtidige spintroniske applikationer. Resultaterne er netop blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Natur nanoteknologi .

Afhængigt af formen og orienteringen af ​​deres kanter, grafen nanostrukturer (også kendt som nanografener) kan have meget forskellige egenskaber - f.eks. de kan udvise dirigerende, halvledende eller isolerende adfærd. Imidlertid, én egenskab har hidtil været uhåndgribelig:magnetisme. Sammen med kolleger fra det tekniske universitet i Dresden, Aalto Universitet i Finland, Max Planck Institut for Polymerforskning i Mainz og Universitetet i Bern, Det er nu lykkedes Empa-forskere at bygge en nanografen med magnetiske egenskaber, der kan være en afgørende komponent for spin-baseret elektronik, der fungerer ved stuetemperatur.

Grafen består kun af kulstofatomer, men magnetisme er en egenskab, der næppe er forbundet med kulstof. Så hvordan er det muligt for kulstofnanomaterialer at udvise magnetisme? For at forstå dette, vi skal på en tur ind i kemiens og atomfysikkens verden.

Kulstofatomerne i grafen er arrangeret i en bikagestruktur. Hvert kulstofatom har tre naboer, hvormed den danner skiftende enkelt- eller dobbeltbindinger. I en enkelt binding, en elektron fra hvert atom - en såkaldt valenselektron - binder sig til sin nabo; i en dobbeltbinding, to elektroner fra hvert atom deltager. Denne vekslende enkelt- og dobbeltbindingsrepræsentation af organiske forbindelser er kendt som Kekulé-strukturen, opkaldt efter den tyske kemiker August Kekulé, der først foreslog denne repræsentation for en af ​​de enkleste organiske forbindelser, benzen (figur 1). Reglen her er, at elektronpar, der lever i den samme kredsløb, skal variere i deres rotationsretning-det såkaldte spin-en konsekvens af det kvantemekaniske Paulis udelukkelsesprincip.

"Imidlertid, i visse strukturer lavet af sekskanter, man kan aldrig tegne skiftende enkelt- og dobbeltbindingsmønstre, der opfylder bindingskravene for hvert kulstofatom. Som en konsekvens, i sådanne strukturer, en eller flere elektroner tvinges til at forblive uparrede og kan ikke danne en binding, "forklarer Shantanu Mishra, der forsker i nye nanografener i Empa nanotech@surfaces-laboratoriet ledet af Roman Fasel. Dette fænomen ufrivillig opkobling af elektroner kaldes "topologisk frustration" (figur 1).

Men hvad har det med magnetisme at gøre? Svaret ligger i elektronernes "spin". Rotationen af ​​en elektron omkring sin egen akse forårsager et lille magnetfelt, et magnetisk øjeblik. Hvis, som sædvanligt, der er to elektroner med modsat spin i en bane af et atom, disse magnetfelter ophæver hinanden. Hvis, imidlertid, en elektron er alene i sin orbital, det magnetiske moment forbliver - og et målbart magnetfelt resulterer.

Alene dette er fascinerende. Men for at kunne bruge elektronernes spin som kredsløbselementer, et skridt mere er nødvendigt. Et svar kan være en struktur, der ligner en sløjfe under et scanningstunnelmikroskop (figur 2).

To frustrerede elektroner i ét molekyle

Tilbage i 1970'erne, den tjekkiske kemiker Erich Clar, en fremtrædende ekspert inden for nanografenkemi, forudsagde en butterfly-lignende struktur kendt som "Clars bæger" (Figur 1). Den består af to symmetriske halvdele og er konstrueret på en sådan måde, at en elektron i hver af halvdelene skal forblive topologisk frustreret. Imidlertid, da de to elektroner er forbundet via strukturen, de er antiferromagnetisk koblede - dvs. deres spins orienterer nødvendigvis i modsatte retninger.

I sin antiferromagnetiske tilstand, Clars bæger kunne fungere som en "NOT" logisk port:hvis retningen af ​​spin ved indgangen er vendt om, output spin skal også tvinges til at rotere.

Imidlertid, det er også muligt at bringe strukturen i en ferromagnetisk tilstand, hvor begge spins orienterer sig i samme retning. At gøre dette, strukturen skal exciteres med en vis energi, den såkaldte udvekslingskoblingsenergi, så en af ​​elektronerne vender sit spin.

For at porten forbliver stabil i sin antiferromagnetiske tilstand, imidlertid, den må ikke spontant skifte til ferromagnetisk tilstand. For at dette er muligt, udvekslingskoblingsenergien skal være højere end energitabet, når porten betjenes ved stuetemperatur. Dette er en central forudsætning for at sikre, at et fremtidigt spintronisk kredsløb baseret på nanografener kan fungere fejlfrit ved stuetemperatur.

Fra teori til virkelighed

Indtil nu, imidlertid, stuetemperatur stabile magnetiske kulstof nanostrukturer har kun været teoretiske konstruktioner. For første gang, det er nu lykkedes forskerne at fremstille en sådan struktur i praksis, og viste, at teorien stemmer overens med virkeligheden. "At indse, at strukturen er krævende, da Clars bæger er meget reaktiv, og syntesen er kompleks, " forklarer Mishra. Med udgangspunkt i et forløbermolekyle, forskerne var i stand til at realisere Clars bæger i ultrahøjt vakuum på en guldoverflade, og eksperimentelt demonstrere, at molekylet har præcis de forudsagte egenskaber.

Vigtigt, de var i stand til at vise, at udvekslingskoblingsenergien i Clars bæger er relativt høj ved 23 meV (figur 2), hvilket antyder, at spin-baserede logiske operationer derfor kunne være stabile ved stuetemperatur. "Dette er et lille, men vigtigt skridt mod spintronics, ”siger Roman Fasel.