Micrografía de túnel de barrido de alta resolución renderizada en 3-D de la copa de Clar. Crédito:Empa
Grafeno una estructura bidimensional hecha de carbono, es un material con excelente mecánica, propiedades electrónicas y ópticas. Sin embargo, no parecía adecuado para aplicaciones magnéticas. Junto con socios internacionales, Los investigadores de Empa ahora han logrado sintetizar un nanografeno único predicho en la década de 1970, lo que demuestra de manera concluyente que el carbono en formas muy específicas tiene propiedades magnéticas que podrían permitir futuras aplicaciones espintrónicas. Los resultados se acaban de publicar en la reconocida revista Nanotecnología de la naturaleza .
Dependiendo de la forma y orientación de sus bordes, Las nanoestructuras de grafeno (también conocidas como nanografenos) pueden tener propiedades muy diferentes, por ejemplo, pueden exhibir conducción, Comportamiento semiconductor o aislante. Sin embargo, una propiedad hasta ahora ha sido esquiva:el magnetismo. Junto con colegas de la Universidad Técnica de Dresde, Universidad Aalto en Finlandia, Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Mainz y Universidad de Berna, Los investigadores de Empa ahora han logrado construir un nanografeno con propiedades magnéticas que podría ser un componente decisivo para el funcionamiento de la electrónica basada en espines a temperatura ambiente.
El grafeno consta solo de átomos de carbono, pero el magnetismo es una propiedad que apenas se asocia con el carbono. Entonces, ¿cómo es posible que los nanomateriales de carbono exhiban magnetismo? Para entender esto necesitamos hacer un viaje al mundo de la química y la física atómica.
Los átomos de carbono del grafeno están dispuestos en una estructura de panal. Cada átomo de carbono tiene tres vecinos, con los que forma enlaces sencillos o dobles alternos. En un solo enlace, un electrón de cada átomo, el llamado electrón de valencia, se une a su vecino; mientras que en un doble enlace, participan dos electrones de cada átomo. Esta representación alterna de enlaces simples y dobles de compuestos orgánicos se conoce como estructura Kekulé, llamado así por el químico alemán August Kekulé, quien propuso por primera vez esta representación para uno de los compuestos orgánicos más simples, benceno (Figura 1). La regla aquí es que los pares de electrones que habitan en el mismo orbital deben diferir en su dirección de rotación, el llamado espín, una consecuencia del principio de exclusión de la mecánica cuántica de Pauli.
"Sin embargo, en ciertas estructuras hechas de hexágonos, nunca se pueden dibujar patrones alternos de enlaces simples y dobles que satisfagan los requisitos de enlace de cada átomo de carbono. Como consecuencia, en tales estructuras, uno o más electrones se ven obligados a permanecer sin aparear y no pueden formar un enlace, "explica Shantanu Mishra, que está investigando nuevos nanografenos en el laboratorio de superficies Empa nanotech @ surface dirigido por Roman Fasel. Este fenómeno de desaparición involuntaria de electrones se denomina "frustración topológica" (Figura 1).
Izquierda:Ilustración de la copa de Clar como un recorte de grafeno. Derecha:Ilustración de las estructuras de Kekulé de benceno (arriba) y la imposibilidad de dibujar estructuras de Kekulé para la copa de Clar sin dejar electrones desapareados (abajo). Crédito:Empa
Pero, ¿qué tiene esto que ver con el magnetismo? La respuesta está en los "giros" de los electrones. La rotación de un electrón alrededor de su propio eje provoca un pequeño campo magnético, un momento magnético. Si, como siempre, hay dos electrones con espines opuestos en un orbital de un átomo, estos campos magnéticos se cancelan entre sí. Si, sin embargo, un electrón está solo en su orbital, el momento magnético permanece y se produce un campo magnético mensurable.
Esto solo es fascinante. Pero para poder utilizar el espín de los electrones como elementos del circuito, se necesita un paso más. Una respuesta podría ser una estructura que parezca una pajarita bajo un microscopio de efecto túnel (Figura 2).
Dos electrones frustrados en una molécula.
En la década de 1970, el químico checo Erich Clar, un distinguido experto en el campo de la química del nanografeno, predijo una estructura similar a una pajarita conocida como "copa de Clar" (Figura 1). Consiste en dos mitades simétricas y está construido de tal manera que un electrón en cada una de las mitades debe permanecer topológicamente frustrado. Sin embargo, dado que los dos electrones están conectados a través de la estructura, están acoplados antiferromagnéticamente, es decir, sus giros se orientan necesariamente en direcciones opuestas.
En su estado antiferromagnético, La copa de Clar podría actuar como una puerta lógica "NO":si la dirección del giro en la entrada se invierte, el giro de salida también debe ser forzado a girar.
Izquierda:micrografía de túnel de exploración de alta resolución experimental de la copa de Clar. Derecha:modelo de bola y palo de la copa de Clar (átomos de carbono:gris, átomos de hidrógeno:blanco) con distribución de densidad de espín superpuesta en el estado fundamental antiferromagnético (azul:espín hacia arriba, rojo:girar hacia abajo). Crédito:Empa
Sin embargo, también es posible llevar la estructura a un estado ferromagnético, donde ambos giros se orientan en la misma dirección. Para hacer esto, la estructura debe estar excitada con cierta energía, la llamada energía de acoplamiento de intercambio, de modo que uno de los electrones invierte su giro.
Para que la puerta permanezca estable en su estado antiferromagnético, sin embargo, no debe cambiar espontáneamente al estado ferromagnético. Para que esto sea posible, la energía de acoplamiento de intercambio debe ser mayor que la disipación de energía cuando la puerta se opera a temperatura ambiente. Este es un requisito previo fundamental para garantizar que un futuro circuito espintrónico basado en nanografenos pueda funcionar sin fallos a temperatura ambiente.
De la teoría a la realidad
Hasta aquí, sin embargo, Las nanoestructuras de carbono magnético estables a temperatura ambiente solo han sido construcciones teóricas. Por primera vez, los investigadores ahora han logrado producir tal estructura en la práctica, y demostró que la teoría se corresponde con la realidad. "Al darse cuenta de que la estructura es exigente, dado que la copa de Clar es muy reactiva, y la síntesis es compleja, "explica Mishra. A partir de una molécula precursora, los investigadores pudieron realizar la copa de Clar en un vacío ultra alto sobre una superficie dorada, y demostrar experimentalmente que la molécula tiene exactamente las propiedades predichas.
En tono rimbombante, pudieron demostrar que la energía de acoplamiento de intercambio en la copa de Clar es relativamente alta a 23 meV (Figura 2), lo que implica que las operaciones lógicas basadas en espín podrían ser estables a temperatura ambiente. "Este es un paso pequeño pero importante hacia la espintrónica, "dice Roman Fasel.
