Grafeno una estructura de panal bidimensional hecha de átomos de carbono con un grosor de solo un átomo, Posee numerosas propiedades destacadas. Estos incluyen una enorme resistencia mecánica y extraordinarias propiedades electrónicas y ópticas. El año pasado un equipo liderado por el investigador de Empa Roman Fasel pudo demostrar que incluso puede ser magnético:lograron sintetizar una molécula en forma de pajarita, que tiene propiedades magnéticas especiales.

Ahora, los investigadores informan de otro gran avance. El trabajo teórico de 2007 predijo que el grafeno podría exhibir un comportamiento magnético si se cortara en pequeños triángulos. Durante los últimos tres años, varios equipos, incluido el equipo de Empa, han logrado producir los llamados triangulos, que consta de solo unas pocas docenas de átomos de carbono, por síntesis química bajo vacío ultra alto.

En la pista del magnetismo con el microscopio de efecto túnel

Sin embargo, su magnetismo había permanecido sin descubrir hasta ahora. Primero, la presencia de giros no apareados, que hacen que los triangulos magnéticos en primer lugar, también los hace extremadamente reactivos. En segundo lugar, incluso con moléculas estables, Es extremadamente difícil probar el magnetismo de un trozo de materia tan diminuto. Pero ahora un grupo internacional de científicos de Empa, la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Alicante y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología de Portugal lo han conseguido.

El avance fue posible gracias a una poderosa herramienta para investigar la materia a nivel atómico:el microscopio de barrido de túnel (STM). El STM permite conducir corrientes eléctricas a través de átomos individuales o nanoestructuras depositadas sobre un sustrato conductor. Hasta aquí, sin embargo, Triangulenos individuales solo habían proporcionado evidencia indirecta de su naturaleza magnética.

Triángulo doble con entrelazamiento cuántico

Ahora, sin embargo, Los investigadores han examinado moléculas en las que dos triangulos están unidos por un solo enlace carbono-carbono (los denominados dímeros triangulares). Estas estructuras proporcionaron evidencia directa de la naturaleza magnética de los triangulos. Esto se debe a que la teoría dice lo siguiente:si se unen dos triangulos, no solo se conserva su magnetismo; sus momentos magnéticos también deberían formar un estado de "entrelazado cuántico". Esto significa que los espines (los pequeños momentos magnéticos) de sus electrones no apareados deben apuntar en direcciones opuestas. Este estado se conoce como estado antiferromagnético (o spin-0).

Además, la teoría también predijo que debería ser posible excitar los dímeros triangulares a un estado en el que sus espines ya no estén perfectamente alineados (estado de espín-1). La energía requerida para causar esta excitación, la llamada energía de intercambio, refleja la fuerza con la que los espines de los dos triangulos en los dímeros se unen en el estado antiferromagnético. Y de hecho en sus experimentos, Los investigadores descubrieron que el dímero de triánguleno puede excitarse hasta el estado de espín 1 inyectando electrones con una energía de 14 meV.

Materiales magnéticos orgánicos para espintrónica

Los científicos también sintetizaron un segundo dímero de triánguleno en el que las unidades de triánguleno no estaban conectadas directamente por un enlace sencillo carbono-carbono, pero por un "espaciador", un anillo de carbono hexagonal. Los investigadores esperaban que este elemento de conexión más grande entre las unidades triangulares redujera significativamente la energía de intercambio. Y esto es exactamente lo que mostraron los experimentos:la energía de intercambio era ahora de solo 2 meV, un 85% menos que con los triangulos conectados directamente.

Estos resultados son relevantes no solo porque proporcionan evidencia directa del magnetismo tan esperado en los triangulos, pero también porque muestran cómo estos notables nanosistemas se pueden combinar para formar estructuras más grandes con estados magnéticos cuánticos entrelazados. En el futuro, Estos materiales magnéticos nuevos (y puramente orgánicos) no solo podrían usarse en tecnologías como el procesamiento de información basado en espines, que prometen computadoras más rápidas con menor consumo de energía, o en tecnologías cuánticas; pero también podrían proporcionar un terreno fértil para el estudio de fenómenos físicos exóticos.