Desde que se descubrió el grafeno, una lámina delgada de carbono de solo un átomo de espesor, hace más de 15 años, el maravilloso material se convirtió en un caballo de batalla en la investigación de la ciencia de los materiales. A partir de este cuerpo de trabajo, otros investigadores aprendieron que cortar grafeno a lo largo del borde de su red de panal crea tiras de grafeno en zigzag unidimensionales o nanocintas con propiedades magnéticas exóticas.

Muchos investigadores han tratado de aprovechar el comportamiento magnético inusual de las nanocintas en dispositivos espintrónicos basados ​​en carbono que permiten tecnologías de procesamiento de información y almacenamiento de datos de alta velocidad y bajo consumo mediante la codificación de datos a través del espín de electrones en lugar de la carga. Pero debido a que las nanocintas en zigzag son altamente reactivas, los investigadores han debatido cómo observar y canalizar sus propiedades exóticas en un dispositivo del mundo real.

Ahora, como se informó en la edición del 22 de diciembre de la revista Nature , investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley han desarrollado un método para estabilizar los bordes de las nanocintas de grafeno y medir directamente sus propiedades magnéticas únicas.

El equipo codirigido por Felix Fischer y Steven Louie, ambos científicos de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, descubrió que al sustituir algunos de los átomos de carbono a lo largo de los bordes en zigzag de la cinta con átomos de nitrógeno, podían sintonizar discretamente la estructura electrónica local sin interrumpir las propiedades magneticas Este sutil cambio estructural permitió además el desarrollo de una técnica de microscopía de sonda de barrido para medir el magnetismo local del material a escala atómica.

"Los intentos anteriores de estabilizar el borde en zigzag inevitablemente alteraron la estructura electrónica del borde en sí", dijo Louie, quien también es profesor de física en UC Berkeley. "Este dilema ha condenado los esfuerzos por acceder a su estructura magnética con técnicas experimentales y, hasta ahora, ha relegado su exploración a modelos computacionales", agregó.

Guiados por modelos teóricos, Fischer y Louie diseñaron un bloque de construcción molecular hecho a medida que presenta una disposición de átomos de carbono y nitrógeno que se pueden mapear en la estructura precisa de las nanocintas de grafeno en zigzag deseadas.

Para construir las nanocintas, los pequeños bloques de construcción moleculares se depositan primero sobre una superficie metálica plana o sustrato. Luego, la superficie se calienta suavemente, activando dos manijas químicas en cada extremo de cada molécula. Este paso de activación rompe un enlace químico y deja un "extremo pegajoso" altamente reactivo.

Cada vez que dos "extremos pegajosos" se encuentran mientras las moléculas activadas se esparcen por la superficie, las moléculas se combinan para formar nuevos enlaces carbono-carbono. Eventualmente, el proceso construye cadenas de margaritas 1D de bloques de construcción moleculares. Finalmente, un segundo paso de calentamiento reorganiza los enlaces internos de la cadena para formar una nanocinta de grafeno con dos bordes paralelos en zigzag.

"La ventaja única de esta tecnología molecular de abajo hacia arriba es que cualquier característica estructural de la cinta de grafeno, como la posición exacta de los átomos de nitrógeno, se puede codificar en el bloque de construcción molecular", dijo Raymond Blackwell, estudiante graduado en el Fischer Group y coautor principal del artículo junto con Fangzhou Zhao, estudiante de posgrado en el grupo Louie.

El siguiente desafío fue medir las propiedades de las nanocintas.

"Rápidamente nos dimos cuenta de que, no solo para medir, sino también para cuantificar el campo magnético inducido por los estados del borde de la nanocinta polarizada por espín, tendríamos que abordar dos problemas adicionales", dijo Fischer, quien también es profesor de química en UC Berkeley.

Primero, el equipo necesitaba descubrir cómo separar la estructura electrónica de la cinta de su sustrato. Fischer resolvió el problema utilizando la punta de un microscopio de efecto túnel para romper irreversiblemente el vínculo entre la nanocinta de grafeno y el metal subyacente.

El segundo desafío fue desarrollar una nueva técnica para medir directamente un campo magnético a escala nanométrica. Afortunadamente, los investigadores descubrieron que los átomos de nitrógeno sustituidos en la estructura de las nanocintas en realidad actuaban como sensores a escala atómica.

Las mediciones en las posiciones de los átomos de nitrógeno revelaron los rasgos característicos de un campo magnético local a lo largo del borde en zigzag.

Los cálculos realizados por Louie utilizando recursos informáticos en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) arrojaron predicciones cuantitativas de las interacciones que surgen de los estados de borde polarizados por espín de las cintas. Las mediciones microscópicas de las firmas precisas de las interacciones magnéticas coincidieron con esas predicciones y confirmaron sus propiedades cuánticas.

"Explorar y, en última instancia, desarrollar las herramientas experimentales que permiten la ingeniería racional de estos exóticos bordes magnéticos abre la puerta a oportunidades sin precedentes de la espintrónica basada en carbono", dijo Fischer, refiriéndose a los dispositivos nanoelectrónicos de próxima generación que dependen de las propiedades intrínsecas de los electrones. El trabajo futuro implicará explorar fenómenos asociados con estas propiedades en arquitecturas de grafeno en zigzag diseñadas a medida. + Explora más

Evidencia encontrada de magnetismo en los bordes del grafeno