Forenede nanotriangler baner vejen til magnetiske kulstofmaterialer

Graphene, en todimensionel honningkage struktur lavet af carbonatomer med en tykkelse på kun et atom, har mange fremragende ejendomme. Disse omfatter enorm mekanisk modstand og ekstraordinære elektroniske og optiske egenskaber. Sidste år kunne et team ledet af Empa -forskeren Roman Fasel vise, at det endda kan være magnetisk:det lykkedes at syntetisere et molekyle i form af en sløjfe, som har særlige magnetiske egenskaber.

Nu, forskere rapporterer endnu et gennembrud. Teoretisk arbejde fra 2007 forudsagde, at grafen kunne udvise magnetisk adfærd, hvis det blev skåret i små trekanter. I løbet af de sidste tre år har flere hold, herunder Empa -teamet, er det lykkedes at producere de såkaldte triangulener, bestående af kun et par dusin kulstofatomer, ved kemisk syntese under ultrahøjt vakuum.

På magnetismens spor med det scannende tunnelmikroskop

Imidlertid, deres magnetisme var forblevet uopdaget indtil nu. Først, tilstedeværelsen af ​​uparede spins, som gør triangulener magnetiske i første omgang, gør dem også ekstremt reaktive. For det andet, selv med stabile molekyler, det er ekstremt svært at bevise magnetismen i et så lille stykke stof. Men nu er en international gruppe forskere fra Empa, det tekniske universitet i Dresden, universitetet i Alicante og International Iberian Nanotechnology Laboratory i Portugal er lykkedes med at gøre netop det.

Gennembruddet blev muliggjort af et kraftfuldt værktøj til at undersøge stof på atomniveau - det scannende tunnelmikroskop (STM). STM gør det muligt at lede elektriske strømme gennem individuelle atomer eller nanostrukturer afsat på et ledende substrat. Indtil nu, imidlertid, individuelle triangulener havde kun givet indirekte bevis på deres magnetiske natur.

Dobbelt trekant med kvanteforvikling

Nu, imidlertid, forskerne har undersøgt molekyler, hvor to triangulener er forbundet med en enkelt carbon-carbon-binding (såkaldte triangulendimerer). Disse strukturer gav direkte bevis på triangulenes magnetiske natur. Dette er fordi teorien siger følgende:hvis to triangulener er forbundet, ikke alene bevares deres magnetisme; deres magnetiske øjeblikke skulle også danne en "kvanteindviklet" tilstand. Det betyder, at spinnene - de bittesmå magnetiske øjeblikke - af deres uparrede elektroner skal pege i modsatte retninger. Denne tilstand er kendt som den antiferromagnetiske (eller spin-0) tilstand.

Ud over, teorien forudsagde også, at det skulle være muligt at excitere triangulendimererne til en tilstand, hvor deres spins ikke længere er perfekt justeret (spin-1-tilstand). Den energi, der kræves for at forårsage denne ophidselse, den såkaldte udvekslingsenergi, afspejler den styrke, hvormed spinnene fra de to triangulener i dimerne er bundet i den antiferromagnetiske tilstand. Og faktisk i deres eksperimenter, forskerne fandt ud af, at triangulendimeren kan ophidses til spin 1 -tilstand ved at injicere elektroner med en energi på 14 meV.

Organiske magnetiske materialer til spintronics

Forskerne syntetiserede også en anden triangulendimer, hvor triangulenenhederne ikke var direkte forbundet med en carbon-carbon-enkeltbinding, men med en "afstandsstykker", en sekskantet carbonring. Forskerne forventede, at dette større forbindelseselement mellem triangulenenhederne ville reducere udvekslingsenergien betydeligt. Og det er præcis, hvad eksperimenterne viste:udvekslingsenergien var nu kun 2 meV - 85% mindre end med de direkte forbundne triangulener.

Disse resultater er relevante, ikke kun fordi de giver direkte bevis for den længe ventede magnetisme i triangulener, men også fordi de viser, hvordan disse bemærkelsesværdige nanosystemer kan kombineres til at danne større strukturer med kvanteindviklede magnetiske tilstande. I fremtiden, sådanne nye (og rent organiske) magnetiske materialer kunne ikke kun bruges i teknologier såsom spin-baseret informationsbehandling, som lover hurtigere computere med lavere strømforbrug, or in quantum technologies; but they could also provide fertile ground for the study of exotic physical phenomena.